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JP7547795B2 - Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents
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JP7547795B2 - Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing silicon carbide semiconductor device - Google Patents

Silicon carbide semiconductor device and method for manufacturing silicon carbide semiconductor device Download PDF

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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
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Description

この発明は、炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法に関する。 This invention relates to a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device.

炭化珪素(SiC)は、シリコン(Si)よりも、絶縁破壊電界強度が高い、熱伝導率が高いなどの優れた特徴により、特にパワーデバイスへの応用が期待されている。また、炭化珪素は、シリコンと同様に、熱酸化により酸化膜(SiO2膜)を形成することができる。このため、炭化珪素を用いた半導体装置(以下、炭化珪素半導体装置とする)では、熱酸化により形成した酸化膜をゲート絶縁膜として用いたMOSゲート(金属-酸化膜-半導体からなる絶縁ゲート)を備えたMOS型炭化珪素半導体装置の開発が進められている。 Silicon carbide (SiC) has excellent characteristics such as a higher dielectric breakdown field strength and a higher thermal conductivity than silicon (Si), and is therefore expected to be particularly applicable to power devices. In addition, silicon carbide can form an oxide film (SiO 2 film) by thermal oxidation, just like silicon. For this reason, in semiconductor devices using silicon carbide (hereinafter referred to as silicon carbide semiconductor devices), development is underway of MOS-type silicon carbide semiconductor devices equipped with a MOS gate (insulated gate made of metal-oxide film-semiconductor) using an oxide film formed by thermal oxidation as a gate insulating film.

図15は、従来の炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の形成の概要を示すフローチャートである。まず、炭化珪素を用いた半導体基板(以下、炭化珪素基板とする)上に、炭化珪素からなるエピタキシャル膜を形成する。次に、CVD法等により、当該エピタキシャル膜の表面に高温酸化膜(High Temperature Oxide:HTO膜)を形成する(ステップS31)。次に、例えば高温(1300℃)で30分酸窒化することでSiO2から構成されるゲート絶縁膜を形成している(ステップS32)。 15 is a flow chart showing an outline of the formation of a gate insulating film of a conventional silicon carbide semiconductor device. First, an epitaxial film made of silicon carbide is formed on a semiconductor substrate using silicon carbide (hereinafter referred to as a silicon carbide substrate). Next, a high temperature oxide film (High Temperature Oxide: HTO film) is formed on the surface of the epitaxial film by a CVD method or the like (step S31). Next, a gate insulating film made of SiO 2 is formed by oxynitriding at a high temperature (1300° C.) for 30 minutes (step S32).

このようなゲート絶縁膜を用いた炭化珪素半導体装置としては、プレーナーゲート構造やトレンチゲート構造のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)が製品化されている。 As silicon carbide semiconductor devices using such gate insulating films, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) with planar gate and trench gate structures have been commercialized.

炭化珪素からなる半導体膜を準備するエピタキシャル層形成工程と、半導体膜の表面に酸化膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、酸化膜が形成された半導体膜を、窒素を含有する雰囲気中で熱処理する窒素アニール工程と、不活性ガスを含む雰囲気中で、ポスト熱処理するポスト熱処理工程とを備え、ポスト熱処理工程での熱処理温度は、窒素アニール工程での熱処理温度を越え、酸化膜の融点未満とすることで、チャネル移動度のような電気的特性に優れた炭化珪素半導体装置を形成する技術が公知である(例えば、下記特許文献1参照。)。 A technology is known for forming a silicon carbide semiconductor device with excellent electrical characteristics such as channel mobility by comprising an epitaxial layer formation process for preparing a semiconductor film made of silicon carbide, a gate insulating film formation process for forming an oxide film on the surface of the semiconductor film, a nitrogen annealing process for heat treating the semiconductor film on which the oxide film has been formed in an atmosphere containing nitrogen, and a post-heat treatment process for post-heat treatment in an atmosphere containing an inert gas, the heat treatment temperature in the post-heat treatment process being higher than the heat treatment temperature in the nitrogen annealing process and lower than the melting point of the oxide film (see, for example, Patent Document 1 below).

国際公開第2011/111627号International Publication No. 2011/111627

炭化珪素MOSFET(SiC-MOSFET)では、エピタキシャル膜とゲート絶縁膜との界面での余剰炭素の影響が、SiC-MOSFETの移動度特性や信頼性の低下要因になると考えられている。この余剰炭素を低減するために窒素添加プロセスを導入したり、超高温酸化プロセスを導入したりする検討が行われている。 In silicon carbide MOSFETs (SiC-MOSFETs), the effect of excess carbon at the interface between the epitaxial film and the gate insulating film is thought to be a factor in reducing the mobility characteristics and reliability of SiC-MOSFETs. In order to reduce this excess carbon, studies are being conducted on the introduction of a nitrogen addition process and an ultra-high temperature oxidation process.

しかしながら、従来の窒素添加プロセスでも余剰炭素の低減は不十分であり、また、超高温酸化は量産に適したプロセス装置を導入することが難しいという欠点がある。このため、従来のプロセスでは、余剰炭素を低減することができず、移動度特性や信頼性の低下を十分防止することはできなかった。 However, even with the conventional nitrogen addition process, the reduction of excess carbon is insufficient, and ultra-high temperature oxidation has the drawback that it is difficult to introduce process equipment suitable for mass production. For this reason, the conventional process was unable to reduce excess carbon, and was unable to adequately prevent a decrease in mobility characteristics and reliability.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ゲート絶縁膜と炭化珪素半導体との界面の余剰炭素を低減させることができる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a silicon carbide semiconductor device and a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device that can reduce excess carbon at the interface between the gate insulating film and the silicon carbide semiconductor in order to solve the problems associated with the conventional technology described above.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。ゲート絶縁膜を有する炭化珪素半導体装置の製造方法の炭化珪素からなる半導体層に前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、まず、炭化珪素からなる前記半導体層のおもて面に、堆積酸化膜を形成する第1工程を行う。次に、窒素を含有するガスを用いて前記半導体層と前記堆積酸化膜の界面を酸窒化する第2工程を行う。次に、前記界面に第1の酸素アニールを300℃以上650℃以下の温度で行う第3工程を行う。次に、前記界面に不活性ガスアニールを900℃以上1400℃以下の温度で行う第4工程を行う。次に、前記界面に第2の酸素アニールを500℃以上750℃以下の温度で行う第5工程を行う。
In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object of the present invention, the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention has the following features. In the step of forming the gate insulating film on a semiconductor layer made of silicon carbide in the method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device having a gate insulating film, a first step is performed in which a deposited oxide film is formed on a front surface of the semiconductor layer made of silicon carbide. Next, a second step is performed in which an interface between the semiconductor layer and the deposited oxide film is oxidized and nitrided using a gas containing nitrogen. Next, a third step is performed in which a first oxygen anneal is performed on the interface at a temperature of 300° C. to 650° C. Next, a fourth step is performed in which an inert gas anneal is performed on the interface at a temperature of 900° C. to 1400° C. Next, a fifth step is performed in which a second oxygen anneal is performed on the interface at a temperature of 500° C. to 750° C.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2工程から前記第5工程を複数回繰り返すことを特徴とする。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the second to fifth steps are repeated multiple times.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第3工程から前記第5工程を複数回繰り返すことを特徴とする。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the third to fifth steps are repeated multiple times.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第2工程では、一酸化窒素または亜酸化窒素を用いて、前記界面を酸窒化することを特徴とする。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that in the second step, the interface is oxidized and nitrided using nitric oxide or nitrous oxide.

また、この発明にかかる炭化珪素半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第4工程では、窒素ガスまたはアルゴンガスを用いて、前記不活性ガスアニールを行うことを特徴とする。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to the present invention is characterized in that in the fourth step, the inert gas annealing is performed using nitrogen gas or argon gas.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる炭化珪素半導体装置は、次の特徴を有する。炭化珪素からなる半導体層上にゲート絶縁膜を有する炭化珪素半導体装置は、電子エネルギー損失分光法(EELS)で評価した前記半導体層と前記ゲート絶縁膜との界面に存在する余剰炭素量が対炭化珪素面積強度比で0.05以下であり、かつ、X線光電子分光法で評価した前記ゲート絶縁膜のCNピークが対N1s面積強度比で0.09以下である。 In order to solve the above problems and achieve the object of the present invention, the silicon carbide semiconductor device according to the present invention has the following features. In a silicon carbide semiconductor device having a gate insulating film on a semiconductor layer made of silicon carbide, the amount of excess carbon present at the interface between the semiconductor layer and the gate insulating film, as evaluated by electron energy loss spectroscopy (EELS), is 0.05 or less in terms of area intensity ratio to silicon carbide, and the CN peak of the gate insulating film, as evaluated by X-ray photoelectron spectroscopy, is 0.09 or less in terms of area intensity ratio to N1s.

上述した発明によれば、HTO膜(堆積酸化膜)を形成後、わずかに界面酸化を進行させ、第1の酸素アニールにより、生成した余剰炭素(CC結合、CO結合)やCN結合の分解と除去を行い、残留したCO結合を高温の不活性ガスアニールによって脱離させ、高温の不活性ガスアニールで生成したゲート絶縁膜内部の欠陥を第2の酸素アニールによって終端させている。これにより、ゲート絶縁膜中に残留する余剰炭素(CC結合、CO結合)やCN結合を減少させることができる。このため、炭化珪素半導体装置の移動度特性や信頼性が低下することを防止できる。 According to the above-mentioned invention, after forming the HTO film (deposited oxide film), the interface oxidation is allowed to proceed slightly, and the excess carbon (CC bonds, CO bonds) and CN bonds generated are decomposed and removed by the first oxygen annealing, the remaining CO bonds are desorbed by high-temperature inert gas annealing, and the defects inside the gate insulating film generated by the high-temperature inert gas annealing are terminated by the second oxygen annealing. This makes it possible to reduce the excess carbon (CC bonds, CO bonds) and CN bonds remaining in the gate insulating film. This makes it possible to prevent the mobility characteristics and reliability of the silicon carbide semiconductor device from deteriorating.

本発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法によれば、ゲート絶縁膜と炭化珪素半導体との界面の余剰炭素を低減させることができるという効果を奏する。 The silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention have the effect of reducing excess carbon at the interface between the gate insulating film and the silicon carbide semiconductor.

実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の横型MOSFETの構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a structure of a lateral MOSFET of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment; 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の縦型MOSFETの構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a structure of a vertical MOSFET of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment. 電子エネルギー損失分光法(EELS)により測定された損失エネルギー強度分布および当該損失エネルギー強度分布から分離した成分スペクトルを示す損失エネルギー強度分布図である。FIG. 2 is a loss energy intensity distribution diagram showing a loss energy intensity distribution measured by electron energy loss spectroscopy (EELS) and a component spectrum separated from the loss energy intensity distribution. EELSの測定点を模式的に示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a schematic diagram of measurement points of EELS. 図4Aの各測定点での損失エネルギー強度分布および当該損失エネルギー強度分布から分離した余剰炭素の成分スペクトルを示す損失エネルギー強度分布図である。FIG. 4B is a loss energy intensity distribution diagram showing the loss energy intensity distribution at each measurement point in FIG. 4A and the component spectrum of excess carbon separated from the loss energy intensity distribution. 図4Bの各測定点での余剰炭素の成分スペクトルの面積強度分布を示す特性図である。FIG. 4C is a characteristic diagram showing the area intensity distribution of the component spectrum of excess carbon at each measurement point in FIG. 4B. 光電子分光法によるサンプルのN1sスペクトルを示すグラフである。1 is a graph showing the N1s spectrum of a sample by photoelectron spectroscopy. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の形成の概要を示す第1のフローチャートである。1 is a first flowchart illustrating an overview of formation of a gate insulating film of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の製造途中の状態を示す断面図である(その1)。1A to 1C are cross-sectional views showing a state during the manufacture of a gate insulating film of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment (part 1). 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の製造途中の状態を示す断面図である(その2)。11A to 11C are cross-sectional views showing a state during the manufacture of a gate insulating film of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment (part 2). 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の製造途中の状態を示す断面図である(その3)。11A to 11C are cross-sectional views showing a state during the manufacture of a gate insulating film of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment (part 3). 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の製造途中の状態を示す断面図である(その4)。4 is a cross-sectional view showing a gate insulating film of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment in the course of manufacturing the same (part 4). FIG. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の製造途中の状態を示す断面図である(その5)。5 is a cross-sectional view showing a gate insulating film in the process of being manufactured in the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment; FIG. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の形成の温度プロファイルの例である。4 is an example of a temperature profile for forming a gate insulating film of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment. 実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の形成の概要を示す第2のフローチャートである。11 is a second flowchart illustrating an overview of formation of a gate insulating film of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment. 実施例および比較例での電界効果移動度、余剰炭素量およびCNピークを示す表である。1 is a table showing the field effect mobility, the amount of excess carbon, and the CN peak in Examples and Comparative Examples. 従来の炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の形成の概要を示すフローチャートである。1 is a flowchart outlining the formation of a gate insulating film of a conventional silicon carbide semiconductor device.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および-は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本明細書では、ミラー指数の表記において、“-”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“-”を付けることで負の指数をあらわしている。そして、同じまたは同等との記載は製造におけるばらつきを考慮して5%以内まで含むとするのがよい。 The preferred embodiments of the silicon carbide semiconductor device and the method of manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention will be described in detail below with reference to the attached drawings. In this specification and the attached drawings, in a layer or region prefixed with n or p, electrons or holes are the majority carriers, respectively. In addition, + and - attached to n or p respectively mean that the impurity concentration is higher and lower than that of a layer or region not prefixed with n or p. Note that in the following description of the embodiment and the attached drawings, the same reference numerals are used for similar configurations, and duplicated explanations are omitted. In addition, in this specification, in the notation of Miller indices, "-" means a bar attached to the index immediately following it, and adding "-" before an index represents a negative index. In addition, the description of "same" or "equivalent" should include up to 5% in consideration of manufacturing variations.

(実施の形態)
実施の形態にかかる炭化珪素(SiC)半導体装置の構造について、プレーナーゲート型の横型MOSFET50および縦型MOSFET70を例に説明する。図1は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置の横型MOSFETの構造を示す断面図である。
(Embodiment)
The structure of a silicon carbide (SiC) semiconductor device according to the embodiment will be described by taking as examples a planar gate type lateral MOSFET 50 and a vertical MOSFET 70. Fig. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a lateral MOSFET of a silicon carbide semiconductor device according to the embodiment.

図1に示すように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、n+型炭化珪素基板1の第1主面(おもて面)、例えば(0001)面(Si面)に、p型ベース層6が堆積されている。 As shown in FIG. 1 , in the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment, a p - type base layer 6 is deposited on a first main surface (front surface), for example a (0001) surface (Si surface), of an n + -type silicon carbide substrate 1 .

+型炭化珪素基板1は、炭化珪素単結晶基板である。p型ベース層6は、n+型炭化珪素基板1上に炭化珪素をエピタキシャル成長させた炭化珪素層である。以下、n+型炭化珪素基板1とp型ベース層6とを併せて炭化珪素半導体基体(炭化珪素からなる半導体基板)とする。 The n + type silicon carbide substrate 1 is a silicon carbide single crystal substrate. The p type base layer 6 is a silicon carbide layer formed by epitaxially growing silicon carbide on the n + type silicon carbide substrate 1. Hereinafter, the n + type silicon carbide substrate 1 and the p type base layer 6 are collectively referred to as a silicon carbide semiconductor base (a semiconductor substrate made of silicon carbide).

p型ベース層6の内部には、炭化珪素半導体基体の第1主面側にn+型ソース領域7とn+型ドレイン領域19が選択的に設けられている。n+型ソース領域7とn+型ドレイン領域19とは、離間して設けられている。n+型ソース領域7とn+型ドレイン領域19に挟まれたp型ベース層6の上面にはゲート絶縁膜9が設けられ、ゲート絶縁膜9の上にはゲート電極10が設けられている。また、n+型ソース領域7の上にはソース電極12、n+型ドレイン領域19の上にはドレイン電極13がそれぞれオーミック接触するように設けられている。層間絶縁膜やフィールド絶縁膜等の図示は省略する。ゲート絶縁膜9およびゲート絶縁膜9に接するp型ベース層6によって絶縁ゲート構造が構成されている。 An n + type source region 7 and an n + type drain region 19 are selectively provided on the first main surface side of the silicon carbide semiconductor substrate inside the p type base layer 6. The n + type source region 7 and the n + type drain region 19 are provided at a distance from each other. A gate insulating film 9 is provided on the upper surface of the p type base layer 6 sandwiched between the n + type source region 7 and the n + type drain region 19, and a gate electrode 10 is provided on the gate insulating film 9. A source electrode 12 is provided on the n + type source region 7, and a drain electrode 13 is provided on the n + type drain region 19 so as to be in ohmic contact with each other. An interlayer insulating film, a field insulating film, and the like are omitted from the illustration. An insulated gate structure is formed by the gate insulating film 9 and the p type base layer 6 in contact with the gate insulating film 9.

図1の構造は例示であり、p型ベース層6はn+型炭化珪素基板1の上部に埋め込まれたウェル領域等であってもよく、p型の半導体基板そのものをp型ベース層6としても構わない。さらに、図1の構造において、p型ベース層6とn+型ドレイン領域19との間に低不純物濃度のn型のドリフト領域が挟まれる構造であっても構わない。 1 is an example, and the p-type base layer 6 may be a well region or the like embedded in the upper part of the n + -type silicon carbide substrate 1, or the p-type semiconductor substrate itself may be the p-type base layer 6. Furthermore, in the structure of FIG. 1 , a structure in which a low impurity concentration n-type drift region is sandwiched between the p-type base layer 6 and the n + -type drain region 19 may be used.

図2は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置である、トレンチ型の縦型MOSFETの構造を示す断面図である。図2には、MOSFETの1つの単位セル(素子の構成単位)を示し、当該単位セルに隣り合う他の単位セルを図示省略する。また、図2には、活性領域のみを図示し、活性領域の周囲を囲むエッジ終端領域を図示省略する。 Figure 2 is a cross-sectional view showing the structure of a trench-type vertical MOSFET, which is a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment. One unit cell (a constituent unit of an element) of the MOSFET is shown in Figure 2, and other unit cells adjacent to the unit cell are not shown. Also, in Figure 2, only the active region is shown, and the edge termination region surrounding the active region is not shown.

活性領域は、炭化珪素半導体装置がオン状態のときに電流が流れる領域である。エッジ終端領域は、活性領域と炭化珪素基板(炭化珪素からなる半導体基板:半導体チップ)側面との間の領域であり、ドリフト領域の、基板おもて面(炭化珪素基板のおもて面)側の電界を緩和して耐圧を保持する領域である。エッジ終端領域には、例えばガードリングや接合終端(JTE:Junction Termination Extension)構造を構成するp型領域や、フィールドプレート、リサーフ等の耐圧構造が配置される。耐圧とは、半導体装置が誤動作や破壊を起こさない限界の電圧(耐電圧)である。 The active region is a region through which current flows when the silicon carbide semiconductor device is in the on state. The edge termination region is a region between the active region and the side of the silicon carbide substrate (semiconductor substrate made of silicon carbide: semiconductor chip), and is a region that maintains a breakdown voltage by relaxing the electric field on the front surface of the substrate (front surface of the silicon carbide substrate) side of the drift region. In the edge termination region, for example, a guard ring or a p-type region that constitutes a junction termination extension (JTE) structure, a field plate, a resurf, or other breakdown-resistant structure is arranged. The breakdown voltage is the maximum voltage (withstand voltage) at which the semiconductor device does not malfunction or break down.

図2に示すように、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置は、n+型炭化珪素基板1の第1主面(おもて面)、例えば(0001)面(Si面)に、n-型炭化珪素エピタキシャル層2が堆積されている。 As shown in FIG. 2 , in the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment, an n type silicon carbide epitaxial layer 2 is deposited on a first main surface (front surface), for example a (0001) surface (Si surface), of an n + type silicon carbide substrate 1.

+型炭化珪素基板1は、炭化珪素単結晶基板である。n-型炭化珪素エピタキシャル層2は、n+型炭化珪素基板1よりも低い不純物濃度であり、例えば低濃度n型ドリフト層である。n-型炭化珪素エピタキシャル層2の、n+型炭化珪素基板1側に対して反対側の表面には、n型高濃度領域5が設けられていてもよい。n型高濃度領域5は、n+型炭化珪素基板1よりも低くn-型炭化珪素エピタキシャル層2よりも高い不純物濃度の高濃度n型ドリフト層である。 The n + type silicon carbide substrate 1 is a silicon carbide single crystal substrate. The n - type silicon carbide epitaxial layer 2 has a lower impurity concentration than the n + type silicon carbide substrate 1, and is, for example, a low-concentration n-type drift layer. An n-type high-concentration region 5 may be provided on the surface of the n - type silicon carbide epitaxial layer 2 opposite to the n + type silicon carbide substrate 1 side. The n-type high-concentration region 5 is a high-concentration n-type drift layer having an impurity concentration lower than the n + type silicon carbide substrate 1 and higher than the n - type silicon carbide epitaxial layer 2.

-型炭化珪素エピタキシャル層2の、n+型炭化珪素基板1側に対して反対側の表面には、p型ベース層6が設けられている。以下、n+型炭化珪素基板1とn-型炭化珪素エピタキシャル層2とn型高濃度領域5とp型ベース層6とを併せて炭化珪素半導体基体(炭化珪素からなる半導体基板)18とする。 A p - type base layer 6 is provided on the surface of n -type silicon carbide epitaxial layer 2 opposite to n + type silicon carbide substrate 1. Hereinafter, n + type silicon carbide substrate 1, n -type silicon carbide epitaxial layer 2, n - type high concentration region 5, and p-type base layer 6 will be collectively referred to as silicon carbide semiconductor base (semiconductor substrate made of silicon carbide) 18.

+型炭化珪素基板1の第2主面(裏面、すなわち炭化珪素半導体基体18の裏面)には、裏面電極13となるドレイン電極が設けられている。裏面電極13の表面には、ドレイン電極パッド(不図示)が設けられている。 A drain electrode serving as a back surface electrode 13 is provided on a second main surface (back surface, i.e., the back surface of the silicon carbide semiconductor base 18) of the n + type silicon carbide substrate 1. A drain electrode pad (not shown) is provided on the surface of the back surface electrode 13.

炭化珪素半導体基体18の第1主面側(p型ベース層6側)には、トレンチ構造が形成されている。具体的には、トレンチ16は、p型ベース層6のn+型炭化珪素基板1側に対して反対側(炭化珪素半導体基体18の第1主面側)の表面からp型ベース層6を貫通してn型高濃度領域5(n型高濃度領域5を設けない場合にはn-型炭化珪素エピタキシャル層2、以下単に(2)と記載する)に達する。トレンチ16の内壁に沿って、トレンチ16の底部および側壁にゲート絶縁膜9が形成されており、トレンチ16内のゲート絶縁膜9の内側にゲート電極10が形成されている。ゲート絶縁膜9によりゲート電極10が、n型高濃度領域5(2)およびp型ベース層6と絶縁されている。ゲート電極10の一部は、トレンチ16の上方(後述するソース電極12が設けられている側)からソース電極12側に突出していてもよい。また、チャネルが形成される面は、m面であることが好ましい。例えばトレンチ構造が形成されている場合には、トレンチ16の側壁がm面であることが好ましい。 A trench structure is formed on the first main surface side (p-type base layer 6 side) of the silicon carbide semiconductor substrate 18. Specifically, the trench 16 penetrates the p-type base layer 6 from the surface of the opposite side (first main surface side of the silicon carbide semiconductor substrate 18) of the p-type base layer 6 relative to the n + -type silicon carbide substrate 1 side to reach the n-type high concentration region 5 (n - -type silicon carbide epitaxial layer 2 when the n-type high concentration region 5 is not provided, hereinafter simply referred to as (2)). A gate insulating film 9 is formed on the bottom and side walls of the trench 16 along the inner wall of the trench 16, and a gate electrode 10 is formed inside the gate insulating film 9 in the trench 16. The gate electrode 10 is insulated from the n-type high concentration region 5 (2) and the p-type base layer 6 by the gate insulating film 9. A part of the gate electrode 10 may protrude from the upper side of the trench 16 (the side where the source electrode 12 described later is provided) to the source electrode 12 side. In addition, the surface on which the channel is formed is preferably an m-plane. For example, when a trench structure is formed, the sidewall of the trench 16 is preferably an m-plane.

n型高濃度領域5(2)のn+型炭化珪素基板1側に対して反対側(炭化珪素半導体基体18の第1主面側)の表面層には、トレンチ16の間に、第1p+型ベース領域3が設けられている。また、n型高濃度領域5(2)内に、トレンチ16の底部と接する第2p+型ベース領域4が設けられている。第2p+型ベース領域4は、トレンチ16の底部と深さ方向(ソース電極12から裏面電極への方向)に対向する位置に設けられる。第2p+型ベース領域4の幅は、トレンチ16の幅と同じかそれよりも広い。トレンチ16の底部は、第2p+型ベース領域4に達してもよいし、p型ベース層6と第2p+型ベース領域4に挟まれたn型高濃度領域5(2)内に位置していてもよい。 A first p + type base region 3 is provided between the trenches 16 in the surface layer on the opposite side (the first main surface side of the silicon carbide semiconductor base 18) of the n-type high concentration region 5 (2) with respect to the n + type silicon carbide substrate 1 side. A second p + type base region 4 that contacts the bottom of the trench 16 is provided in the n-type high concentration region 5 (2). The second p + type base region 4 is provided at a position facing the bottom of the trench 16 in the depth direction (the direction from the source electrode 12 to the back electrode). The width of the second p + type base region 4 is the same as or wider than the width of the trench 16. The bottom of the trench 16 may reach the second p + type base region 4, or may be located in the n-type high concentration region 5 (2) sandwiched between the p-type base layer 6 and the second p + type base region 4.

また、n-型炭化珪素エピタキシャル層2内に、トレンチ16間の第1p+型ベース領域3よりも深い位置にn型高濃度領域5(2)よりピーク不純物濃度が高いn+型領域17が設けられる。なお、深い位置とは、第1p+型ベース領域3よりもドレイン電極13に近い位置のことである。 Furthermore, an n + type region 17 having a peak impurity concentration higher than that of n type high concentration region 5(2) is provided in n type silicon carbide epitaxial layer 2 at a position deeper than first p + type base region 3 between trenches 16. Note that the deeper position refers to a position closer to drain electrode 13 than first p + type base region 3.

p型ベース層6の内部には、炭化珪素半導体基体18の第1主面側にn+型ソース領域7が選択的に設けられている。また、p+型コンタクト領域8が選択的に設けられていてもよい。また、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8は互いに接する。 Within p-type base layer 6, n + -type source region 7 is selectively provided on the first main surface side of silicon carbide semiconductor substrate 18. Also, p + -type contact region 8 may be selectively provided. Also, n + -type source region 7 and p + -type contact region 8 are in contact with each other.

層間絶縁膜11は、炭化珪素半導体基体18の第1主面側の全面に、トレンチ16に埋め込まれたゲート電極10を覆うように設けられている。ソース電極12は、層間絶縁膜11に開口されたコンタクトホールを介して、n+型ソース領域7およびp型ベース層6に接する。また、p+型コンタクト領域8が設けられる場合、ソース電極12は、n+型ソース領域7およびp+型コンタクト領域8に接する。ソース電極12は、層間絶縁膜11によって、ゲート電極10と電気的に絶縁されている。ソース電極12上には、ソース電極パッド(不図示)が設けられている。ソース電極12と層間絶縁膜11との間に、例えばソース電極12からゲート電極10側への金属原子の拡散を防止するバリアメタル14が設けられていてもよい。 The interlayer insulating film 11 is provided on the entire surface of the first main surface side of the silicon carbide semiconductor substrate 18 so as to cover the gate electrode 10 embedded in the trench 16. The source electrode 12 contacts the n + type source region 7 and the p type base layer 6 through a contact hole opened in the interlayer insulating film 11. When the p + type contact region 8 is provided, the source electrode 12 contacts the n + type source region 7 and the p + type contact region 8. The source electrode 12 is electrically insulated from the gate electrode 10 by the interlayer insulating film 11. A source electrode pad (not shown) is provided on the source electrode 12. A barrier metal 14 for preventing diffusion of metal atoms from the source electrode 12 to the gate electrode 10 side may be provided between the source electrode 12 and the interlayer insulating film 11.

詳細は後述するが、実施の形態のゲート絶縁膜9は、酸窒化膜に第1の低温酸素アニール、不活性ガスアニール、第2の低温酸素アニールを行うことで形成されている。このため、電子エネルギー損失分光法で評価したp型ベース層6とゲート絶縁膜9との界面、および、n+型ソース領域7とゲート絶縁膜9との界面に存在する余剰炭素量が対炭化珪素面積強度比で0.05以下である。以下、p型ベース層6およびn+型ソース領域7を炭化珪素層22と称する(図4A、図7~図11参照)。また、X線光電子分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)で評価したゲート絶縁膜9のCNピークが対N1s面積強度比で0.09以下である。 Although details will be described later, the gate insulating film 9 of the embodiment is formed by performing a first low-temperature oxygen anneal, an inert gas anneal, and a second low-temperature oxygen anneal on the oxynitride film. Therefore, the amount of excess carbon present at the interface between the p-type base layer 6 and the gate insulating film 9 and at the interface between the n + -type source region 7 and the gate insulating film 9 evaluated by electron energy loss spectroscopy is 0.05 or less in terms of area intensity ratio to silicon carbide. Hereinafter, the p-type base layer 6 and the n + -type source region 7 are referred to as the silicon carbide layer 22 (see FIG. 4A and FIG. 7 to FIG. 11). In addition, the CN peak of the gate insulating film 9 evaluated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is 0.09 or less in terms of area intensity ratio to N1s.

ここで、電子エネルギー損失分光法(EELS:Electron Energy Loss Spectroscopy)は、電子が透過する際に原子との相互作用により失うエネルギーを測定する方法である。EELSにより測定された損失エネルギー強度分布から、元素ごとおよび原子間の結合(単結合か二重結合か )ごとに分離した成分スペクトルを取得可能である。 Here, electron energy loss spectroscopy (EELS) is a method for measuring the energy lost by electrons as they pass through atoms through the material. From the distribution of energy loss intensity measured by EELS, it is possible to obtain component spectra separated for each element and for each bond between atoms (single bond or double bond).

最初に、炭化珪素層22とゲート絶縁膜9との界面(以下、SiO2/SiC界面44と称する)の余剰炭素の対炭化珪素面積強度比の算出方法について説明する。図3は、EELSにより測定された損失エネルギー強度分布および当該損失エネルギー強度分布から分離した成分スペクトルを示す損失エネルギー強度分布図である。図3の横軸は電子の損失エネルギー(eV)であり、縦軸は損失エネルギーごとに得られた電子数を表す強度(任意単位(a.u.:arbitrary unit))である(図4Bにおいても同様)。図3に示すように、EELSにより測定された損失エネルギー強度分布30は、炭化珪素の成分スペクトル32に、余剰炭素の成分スペクトル33と、sp3混成軌道あるいはsp2混成軌道やsp混成軌道でσ結合を有する炭素原子の成分スペクトル(不図示)と、が合算されたものである。図示省略するがsp3混成軌道あるいはsp2混成軌道やsp混成軌道でσ結合を有する炭素原子の成分スペクトルは、炭化珪素の損失エネルギーの最大強度を超える範囲にあらわれる。 First, a method for calculating the area intensity ratio of excess carbon to silicon carbide at the interface between the silicon carbide layer 22 and the gate insulating film 9 (hereinafter referred to as the SiO 2 /SiC interface 44) will be described. FIG. 3 is a loss energy intensity distribution diagram showing a loss energy intensity distribution measured by EELS and a component spectrum separated from the loss energy intensity distribution. The horizontal axis of FIG. 3 is the electron loss energy (eV), and the vertical axis is the intensity (arbitrary unit (au)) representing the number of electrons obtained for each loss energy (similarly in FIG. 4B ). As shown in FIG. 3 , the loss energy intensity distribution 30 measured by EELS is a silicon carbide component spectrum 32, an excess carbon component spectrum 33, and a component spectrum (not shown) of a carbon atom having a σ bond in an sp 3 hybrid orbital, an sp 2 hybrid orbital, or an sp hybrid orbital. Although not shown, the component spectrum of a carbon atom having a σ bond in an sp 3 hybrid orbital, sp 2 hybrid orbital, or sp hybrid orbital appears in a range exceeding the maximum intensity of the loss energy of silicon carbide.

SiO2/SiC界面44付近の損失エネルギー強度分布30をフィッティング処理した後の損失エネルギー強度分布31から、炭化珪素および余剰炭素の各成分スペクトル32,33が得られる。SiO2/SiC界面44の余剰炭素の対炭化珪素面積強度比を算出するには、上述したように複数の測定点でEELSによる損失エネルギー強度分布30を取得する。そして、複数の測定点でのEELSによる損失エネルギー強度分布30からそれぞれ余剰炭素の各成分スペクトル33を分離し、当該分離した余剰炭素の各成分スペクトル33を積分する。これによって、余剰炭素の各成分スペクトル33の面積強度が算出される。 From the loss energy intensity distribution 31 after fitting processing of the loss energy intensity distribution 30 near the SiO 2 /SiC interface 44, the component spectra 32, 33 of silicon carbide and excess carbon are obtained. To calculate the areal intensity ratio of excess carbon to silicon carbide at the SiO 2 /SiC interface 44, the loss energy intensity distribution 30 is obtained by EELS at multiple measurement points as described above. Then, each component spectrum 33 of excess carbon is separated from the loss energy intensity distribution 30 by EELS at the multiple measurement points, and the separated component spectrum 33 of excess carbon is integrated. In this way, the areal intensity of each component spectrum 33 of excess carbon is calculated.

具体的には、余剰炭素の各成分スペクトル33の面積強度の算出方法について、図4A~4Cを参照して説明する。図4Aは、EELSの測定点を模式的に示す説明図である。図4Aには、試験片40を、試験片40の主面(SiO2/SiC界面44に直交する面)側から見た状態を示す。図4Bは、図4Aの各測定点での損失エネルギー強度分布および当該損失エネルギー強度分布から分離した余剰炭素の成分スペクトルを示す損失エネルギー強度分布図である。図4Cは、図4Bの各測定点での余剰炭素の成分スペクトルの面積強度分布を示す特性図である。図4Cの横軸はSiO2/SiC界面44から炭化珪素基板1側(SiC側)およびゲート絶縁膜9側(SiO2側)への深さであり、縦軸は余剰炭素の成分スペクトルの面積強度(任意単位(a.u.))である。 Specifically, a method for calculating the area intensity of each component spectrum 33 of excess carbon will be described with reference to FIGS. 4A to 4C. FIG. 4A is an explanatory diagram showing a schematic diagram of measurement points of EELS. FIG. 4A shows a state in which the test piece 40 is viewed from the main surface (a surface perpendicular to the SiO 2 /SiC interface 44) of the test piece 40. FIG. 4B is a loss energy intensity distribution diagram showing the loss energy intensity distribution at each measurement point of FIG. 4A and the component spectrum of excess carbon separated from the loss energy intensity distribution. FIG. 4C is a characteristic diagram showing the area intensity distribution of the component spectrum of excess carbon at each measurement point of FIG. 4B. The horizontal axis of FIG. 4C is the depth from the SiO 2 /SiC interface 44 to the silicon carbide substrate 1 side (SiC side) and the gate insulating film 9 side (SiO 2 side), and the vertical axis is the area intensity (arbitrary unit (a.u.)) of the component spectrum of excess carbon.

まず、図4Aに示すように、n+型炭化珪素基板1およびゲート絶縁膜9を含む部分において、SiO2/SiC界面44と直交する面が主面となるようにn+型炭化珪素基板1を切断した例えば40nm程度の厚さの薄板状の試験片40を用意する。この試験片40に、試験片40の主面に直交する方向から所定の各測定点41-1~41-9に透過電子顕微鏡内で電子線を照射し、電子と試験片40内の原子との相互作用により失うエネルギーを測定する。これによって、試験片40の各測定点41-1~41-9でそれぞれ損失エネルギー強度分布30(図3参照)が得られる。このとき、試験片40の作製時に生じたダメージを含まない箇所を測定点41-1~41-9にすることが好ましい。試験片40の測定点の個数は試験片40の条件に応じて種々変更可能である。 First, as shown in FIG. 4A, a thin plate-like test piece 40 having a thickness of, for example, about 40 nm is prepared by cutting the n + type silicon carbide substrate 1 so that the surface perpendicular to the SiO 2 /SiC interface 44 becomes the main surface in a portion including the n + type silicon carbide substrate 1 and the gate insulating film 9. The test piece 40 is irradiated with an electron beam in a transmission electron microscope at predetermined measurement points 41-1 to 41-9 from a direction perpendicular to the main surface of the test piece 40, and the energy lost due to the interaction between the electrons and the atoms in the test piece 40 is measured. As a result, the loss energy intensity distribution 30 (see FIG. 3) is obtained at each of the measurement points 41-1 to 41-9 of the test piece 40. At this time, it is preferable to set the measurement points 41-1 to 41-9 to points that do not include damage caused during the preparation of the test piece 40. The number of measurement points of the test piece 40 can be variously changed depending on the conditions of the test piece 40.

試験片40の各測定点41-1~41-9は、試験片40の主面に平行で、かつSiO2/SiC界面44と交差する直線40a上に設定する。図4Aでは、試験片40の各測定点に、n+型炭化珪素基板1の内部の最も深い測定点から、ゲート絶縁膜9の内部の最も深い測定点に向かって順にそれぞれ符号41-1~41-9を付す。試験片40の測定点41-1~41-9が設定される直線40aは、SiO2/SiC界面44に対して90度であってもよいが、90度以外の所定の傾斜角度θを有していることが好ましい。その理由は、SiO2/SiC界面44に直交する直線上に各測定点41-1~41-9を設定した場合、他の測定点でのEELS測定を要因とする炭素のコンタミネーションが生じる虞があるからである。 The measurement points 41-1 to 41-9 of the test piece 40 are set on a straight line 40a that is parallel to the main surface of the test piece 40 and intersects with the SiO 2 /SiC interface 44. In FIG. 4A, the measurement points of the test piece 40 are sequentially labeled with reference numerals 41-1 to 41-9 from the deepest measurement point inside the n + type silicon carbide substrate 1 to the deepest measurement point inside the gate insulating film 9. The straight line 40a on which the measurement points 41-1 to 41-9 of the test piece 40 are set may be at an angle of 90 degrees with respect to the SiO 2 /SiC interface 44, but preferably has a predetermined inclination angle θ other than 90 degrees. This is because, when the measurement points 41-1 to 41-9 are set on a straight line perpendicular to the SiO 2 /SiC interface 44, there is a risk of carbon contamination due to EELS measurements at other measurement points.

試験片40の測定点41-1~41-9が設定される直線40aの、SiO2/SiC界面44に対する傾斜角度θは種々変更可能であり、例えば30度程度であってもよい。試験片40の各測定点41-1~41-9に照射する電子線のスポット径(直径)rおよび隣り合う測定点41-1~41-9間の間隔wは種々変更可能であり、例えばそれぞれ0.2nm程度および0.4nm程度であってもよい。ただし、スポット径rを測定間隔wより小さくする方が、測定箇所が重複しないので好ましい。符号D1は、最も離れた測定点41-1,41-9間の、各測定点41-1~41-9に沿った直線40a上の距離(以下、第1分析距離とする)である。符号D2は、最も離れた測定点41-1,41-9間の、SiO2/SiC界面44と直交する方向の距離(以下、第2分析距離とする)である。 The inclination angle θ of the straight line 40a on which the measurement points 41-1 to 41-9 of the test piece 40 are set with respect to the SiO 2 /SiC interface 44 can be changed in various ways, and may be, for example, about 30 degrees. The spot diameter (diameter) r of the electron beam irradiated to each of the measurement points 41-1 to 41-9 of the test piece 40 and the interval w between the adjacent measurement points 41-1 to 41-9 can be changed in various ways, and may be, for example, about 0.2 nm and about 0.4 nm, respectively. However, it is preferable to make the spot diameter r smaller than the measurement interval w, since the measurement points do not overlap. The symbol D1 is the distance on the straight line 40a between the most distant measurement points 41-1 and 41-9 along each of the measurement points 41-1 to 41-9 (hereinafter referred to as the first analysis distance). The symbol D2 is the distance between the most distant measurement points 41-1 and 41-9 in a direction perpendicular to the SiO 2 /SiC interface 44 (hereinafter referred to as the second analysis distance).

これら試験片40の測定点41-1~41-9で測定された損失エネルギー強度分布30の損失エネルギー強度分布30および当該損失エネルギー強度分布30から分離した余剰炭素の成分スペクトル33を図4Bに示す。 Figure 4B shows the loss energy intensity distribution 30 measured at measurement points 41-1 to 41-9 of these test pieces 40 and the component spectrum 33 of excess carbon separated from the loss energy intensity distribution 30.

図4Bに示すように、各測定点41-1~41-9で取得したSiO2/SiC界面44付近の損失エネルギー強度分布30(フィッティング後の損失エネルギー強度分布31も同様)の最大強度は、SiO2/SiC界面44よりも炭化珪素層22の内部に深い測定点41-1で最大となり、SiO2/SiC界面44よりもゲート絶縁膜9の内部に深い測定点41-9で最小となる。図4Bの損失エネルギー強度分布30および成分スペクトル33の末尾の1~9は、それぞれ図4Aの測定点41-1~41-9で検出された図2の損失エネルギー強度分布30および成分スペクトル33に相当する。 4B, the maximum intensity of the loss energy intensity distribution 30 (similarly for the loss energy intensity distribution 31 after fitting) near the SiO 2 /SiC interface 44 acquired at each of the measurement points 41-1 to 41-9 is maximum at the measurement point 41-1, which is deeper inside the silicon carbide layer 22 than the SiO 2 /SiC interface 44, and is minimum at the measurement point 41-9, which is deeper inside the gate insulating film 9 than the SiO 2 /SiC interface 44. The suffixes 1 to 9 of the loss energy intensity distribution 30 and component spectrum 33 in FIG. 4B correspond to the loss energy intensity distribution 30 and component spectrum 33 in FIG. 2 detected at the measurement points 41-1 to 41-9 in FIG. 4A, respectively.

SiO2/SiC界面44付近の損失エネルギー強度分布30が測定点41-1で最大となるのは、炭化珪素を測定しているからである。一方、SiO2/SiC界面44付近の損失エネルギー強度分布31が測定点41-9で最小となるのは、ゲート絶縁膜9を測定しているからである。 The reason why the loss energy intensity distribution 30 near the SiO2 /SiC interface 44 is maximum at the measurement point 41-1 is because silicon carbide is being measured, while the reason why the loss energy intensity distribution 31 near the SiO2 /SiC interface 44 is minimum at the measurement point 41-9 is because the gate insulating film 9 is being measured.

図4Cに示すように、余剰炭素の成分スペクトル33-1~33-9の面積強度は、図示した例では試験片40のSiO2/SiC界面44上の測定点41-5で最も高く、SiO2/SiC界面44から離れるほど低くなる山なりの分布となる。図4Cには、試験片40の各測定点41-1~41-9でのプロットをそれぞれ符号42-1~42-9で示す。試験片40の、SiO2/SiC界面44から最も離れた測定点41-1,41-9では、余剰炭素の成分スペクトルの面積強度はゼロである。この試験片40の各測定点41-1~41-9での余剰炭素の成分スペクトルの面積強度42-1~42-9(図4C)を積分することで、余剰炭素の成分スペクトル33の積分強度(図4Cのハッチング部分)が算出される。この余剰炭素の成分スペクトル33の積分強度が、SiO2/SiC界面44の余剰炭素量である。 As shown in Fig. 4C, the area intensity of the excess carbon component spectrum 33-1 to 33-9 is highest at the measurement point 41-5 on the SiO 2 /SiC interface 44 of the test piece 40 in the illustrated example, and is distributed in a mountain shape that decreases as the distance from the SiO 2 /SiC interface 44 increases. In Fig. 4C, the plots at the measurement points 41-1 to 41-9 of the test piece 40 are indicated by reference numerals 42-1 to 42-9, respectively. At the measurement points 41-1 and 41-9 of the test piece 40 that are the farthest from the SiO 2 /SiC interface 44, the area intensity of the excess carbon component spectrum is zero. The area intensities 42-1 to 42-9 (Fig. 4C) of the excess carbon component spectrum at the measurement points 41-1 to 41-9 of the test piece 40 are integrated to calculate the integrated intensity of the excess carbon component spectrum 33 (hatched portion in Fig. 4C). The integrated intensity of this excess carbon component spectrum 33 is the amount of excess carbon at the SiO 2 /SiC interface 44 .

SiO2/SiC界面44から最も離れた測定点41-1は炭化珪素の損失エネルギー強度分布とみなせる。このため、測定点41-1の損失エネルギー強度分布から炭化珪素の炭素に起因する成分スペクトル32を分離し、その面積強度を炭化珪素の炭素量とした。炭化珪素の炭素に起因した成分スペクトル32の面積強度に対する、余剰炭素の成分スペクトル33の積分強度(42-1~42-9を足し合わせた量)の比が、SiO2/SiC界面44の余剰炭素の対炭化珪素面積強度比となる。 Measurement point 41-1, which is the farthest from SiO 2 /SiC interface 44, can be regarded as the loss energy intensity distribution of silicon carbide. Therefore, component spectrum 32 caused by carbon in silicon carbide was separated from the loss energy intensity distribution of measurement point 41-1, and its area intensity was taken as the amount of carbon in silicon carbide. The ratio of the integrated intensity (the sum of 42-1 to 42-9) of component spectrum 33 of excess carbon to the area intensity of component spectrum 32 caused by carbon in silicon carbide is the area intensity ratio of excess carbon at SiO 2 /SiC interface 44 to silicon carbide.

次に、X線光電子分光法で評価したCNピークの対N1s面積強度比について説明する。XPSは、測定対象の物質の表面にX線を照射し、生じる光電子のエネルギーを測定することで、測定対象の物質の構成元素とその電子状態を分析する方法である。実施の形態では、光電子分光法により、窒素の化学状態の中で炭素と結合した状態(CN)の割合を測定している。 Next, the N1s area intensity ratio of the CN peak evaluated by X-ray photoelectron spectroscopy will be described. XPS is a method for analyzing the constituent elements and their electronic states of a material to be measured by irradiating the surface of the material to be measured with X-rays and measuring the energy of the photoelectrons generated. In this embodiment, the proportion of nitrogen bonded to carbon (CN) among the chemical states of nitrogen is measured by photoelectron spectroscopy.

まず、前処理として、サンプルの酸化膜をフッ酸(HF)で除去した。XPSでは、光源として、AlKα線(1486.6eV)を用い、サンプルサイズは10mm×10mm程度にした。ハンドリングのし易さの点からサンプルサイズは5mm×5mm以上が好ましく、サンプルホルダーの大きさから100mm×100mm以下にする必要がある。 First, as a pretreatment, the oxide film on the sample was removed with hydrofluoric acid (HF). For XPS, AlKα radiation (1486.6 eV) was used as the light source, and the sample size was approximately 10 mm x 10 mm. From the viewpoint of ease of handling, the sample size is preferably 5 mm x 5 mm or more, but due to the size of the sample holder, it needs to be 100 mm x 100 mm or less.

また、サンプルは検出器に対して45度の角度で配置(一般的な光電子分光分析装置の基準の配置)して測定した。線源の種類と検出器の角度からSiCの分析深さは表面から4~5nmとなる。測定するエネルギー領域(横軸)は、N1sのピークが検出される396~402eVとした。 The sample was also placed at a 45 degree angle to the detector (the standard position for a typical photoelectron spectrometer) for measurement. Based on the type of radiation source and the angle of the detector, the analysis depth of the SiC was 4-5 nm from the surface. The energy range (horizontal axis) for measurement was 396-402 eV, where the N1s peak is detected.

図5は、光電子分光法によるサンプルのN1sスペクトルを示すグラフである。図5において、縦軸はスペクトルの強度を示し、単位は1秒あたりの光電子数である。横軸は結合エネルギーを示し、単位はeVである。 Figure 5 is a graph showing the N1s spectrum of a sample by photoelectron spectroscopy. In Figure 5, the vertical axis shows the intensity of the spectrum in units of photoelectrons per second. The horizontal axis shows the binding energy in units of eV.

図5のN1sで示すグラフがN1sスペクトルである。N1sスペクトルを2つのピークでフィッティングし、高エネルギー側のピークをCN(C≡N、C=N、C-Nの混合)、低エネルギー側のピークをSi3Nと帰属する。具体的には、CNスペクトルは、N1sスペクトルのピークより高エネルギー側にのみ存在するため、N1sスペクトルのピークの近傍とそれより高エネルギー側にピークを立てフィッティングすることで、CNスペクトルとSi3Nスペクトルのグラフを得ることができる。このCNスペクトルは、C≡N、C=N、C-Nの混合スペクトルである。 The graph shown as N1s in FIG. 5 is the N1s spectrum. The N1s spectrum is fitted with two peaks, and the peak on the high energy side is assigned to CN (a mixture of C≡N, C═N, and C—N), and the peak on the low energy side is assigned to Si 3 N. Specifically, since the CN spectrum exists only on the high energy side of the peak of the N1s spectrum, a graph of the CN spectrum and the Si 3 N spectrum can be obtained by fitting a peak near the peak of the N1s spectrum and on the high energy side. This CN spectrum is a mixed spectrum of C≡N, C═N, and C—N.

次に、バックグラウンドの成分を除いた後、求めたCNスペクトルとN1sスペクトルの面積を求め、N1sスペクトルの面積に対するCNスペクトルの面積の比(CNスペクトルの面積/N1sスペクトルの面積)を算出し、CNピークの対N1s面積強度比とする。N1sスペクトルの面積とは、N1sスペクトルとC/S=0の直線lとが囲む部分の面積である。CNスペクトルの面積も同様である。 Next, after removing the background components, the areas of the CN spectrum and N1s spectrum are found, and the ratio of the area of the CN spectrum to the area of the N1s spectrum (area of the CN spectrum/area of the N1s spectrum) is calculated to obtain the area intensity ratio of the CN peak to the N1s area. The area of the N1s spectrum is the area enclosed by the N1s spectrum and the straight line l of C/S = 0. The same applies to the area of the CN spectrum.

(炭化珪素半導体装置の製造方法)
次に、炭化珪素半導体装置の製造方法について説明する。製造方法では、プレーナーゲート型の横型MOSFET50の製造方法について説明する。まず、例えばn型で4HのSiCの単結晶(4H-SiC)のn+型炭化珪素基板1を用意する。そして例えばn+型炭化珪素基板1の(0001)面上に、図1に示したp型ベース層6をなすように、SiCの半導体層をエピタキシャル成長法等により積層する。
(Method of Manufacturing Silicon Carbide Semiconductor Device)
Next, a method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device will be described. In the manufacturing method, a method for manufacturing a planar-gate lateral MOSFET 50 will be described. First, an n + type silicon carbide substrate 1, for example, n-type 4H SiC single crystal (4H-SiC), is prepared. Then, for example, a SiC semiconductor layer is laminated by epitaxial growth or the like on the (0001) surface of the n + type silicon carbide substrate 1 so as to form the p-type base layer 6 shown in FIG. 1 .

次に、p型ベース層6の上部に、例えばSiO2のマスク絶縁膜をCVD法等により堆積する。そしてマスク絶縁膜の上にフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜のエッチングマスクとなるパターンを形成する。そしてエッチングマスクを利用してマスク絶縁膜を選択エッチングしてパターニングを行う。そしてフォトレジスト膜とパターニングされたマスク絶縁膜の2層構造をイオン注入用マスクとして用いて窒素(N)等のn型不純物のイオンを注入する。このイオン注入により、p型ベース層6の上部にソース領域となるn型のイオン注入層およびドレイン領域となるn型のイオン注入層がそれぞれ形成される。次にフォトレジスト膜とマスク絶縁膜の2層構造のイオン注入用マスクを除去し、その後、1600℃程度の高温の活性化アニールにより、n型のイオン注入層が活性化され、図1に示したn+型ソース領域7およびn+型ドレイン領域19が形成される。 Next, a mask insulating film of, for example, SiO 2 is deposited on the upper part of the p-type base layer 6 by CVD or the like. Then, a photoresist film is applied on the mask insulating film, and a pattern that serves as an etching mask for the photoresist film is formed using photolithography technology. Then, the mask insulating film is selectively etched using the etching mask to perform patterning. Then, ions of n-type impurities such as nitrogen (N) are implanted using the two-layer structure of the photoresist film and the patterned mask insulating film as an ion implantation mask. By this ion implantation, an n-type ion implantation layer that serves as a source region and an n-type ion implantation layer that serves as a drain region are formed on the upper part of the p-type base layer 6. Next, the two-layer ion implantation mask of the photoresist film and the mask insulating film is removed, and then the n-type ion implantation layer is activated by high-temperature activation annealing at about 1600° C., and the n + source region 7 and the n + drain region 19 shown in FIG. 1 are formed.

次に、n+型ソース領域7およびn+型ドレイン領域19が上部に埋め込まれたp型ベース層6に対し、エッチングやアニールを施すことにより、チャネルが形成されるp型ベース層6の上面を、電荷分布のバラツキが抑えられるように改善する。 Next, the p-type base layer 6 having the n + type source region 7 and the n + type drain region 19 buried therein is etched or annealed to improve the upper surface of the p-type base layer 6 in which a channel is formed so as to suppress variations in charge distribution.

ここで、ゲート絶縁膜9と炭化珪素半導体と界面の余剰炭素は、酸素または酸窒化ガスで分解されるが、分解生成物である炭素-酸素結合(CO結合)が酸化膜中やSiC表面(酸化膜界面)に残留すると界面準位や固定電荷の起源となって移動度やしきい値変動の原因となってしまう。余剰炭素の分解で生成した一酸化炭素(CO)の安定性を考慮すると、このCO結合は時間が経過することによって脱離して酸化膜中を通過して出ていくと考えられる。このため、酸素または酸窒化ガス中でのSiC酸化の際、余剰炭素の分解とそれによって形成したCO結合の脱離を促進させることができれば酸化膜中やSiC表面(酸化膜界面)に残留する余剰炭素やCO結合を減少することができる。酸窒化で生成したCN結合についても同様に、CN結合を低温酸素アニールでCOとNOを生成し、不活性ガスアニールでCOやNOをガスとして脱離させることによって、CN結合を減少することが可能となる。 Here, the excess carbon at the interface between the gate insulating film 9 and the silicon carbide semiconductor is decomposed by oxygen or oxynitride gas, but if the decomposition product, carbon-oxygen bonds (CO bonds), remain in the oxide film or on the SiC surface (oxide film interface), they become the source of interface states and fixed charges, causing mobility and threshold fluctuations. Considering the stability of carbon monoxide (CO) generated by the decomposition of excess carbon, it is thought that this CO bond will be desorbed over time and pass through the oxide film and exit. For this reason, if the decomposition of excess carbon and the desorption of the CO bonds formed by it can be promoted during SiC oxidation in oxygen or oxynitride gas, the excess carbon and CO bonds remaining in the oxide film or on the SiC surface (oxide film interface) can be reduced. Similarly, for CN bonds generated by oxynitride, it is possible to reduce the CN bonds by generating CO and NO from the CN bonds by low-temperature oxygen annealing and desorbing the CO and NO as gases by inert gas annealing.

実施の形態では、CC結合やCO結合、CN結合の分解脱離を促進するために、以下のようにゲート絶縁膜9を形成している。図6は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の形成の概要を示す第1のフローチャートである。図7~図11は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の製造途中の状態を示す断面図である。図12は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の形成の温度プロファイルの例である。 In the embodiment, in order to promote decomposition and detachment of CC bonds, CO bonds, and CN bonds, the gate insulating film 9 is formed as follows. FIG. 6 is a first flowchart showing an overview of the formation of the gate insulating film of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. FIGS. 7 to 11 are cross-sectional views showing the state during the manufacturing of the gate insulating film of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment. FIG. 12 is an example of a temperature profile for forming the gate insulating film of the silicon carbide semiconductor device according to the embodiment.

最初に、CVD法等により、炭化珪素層22の表面に膜厚50nm程度の堆積酸化膜(HTO膜)20を形成する(ステップS11:第1工程)。炭化珪素層22は、ゲート絶縁膜9が接する半導体層で、図1のp型ベース層6および図2のトレンチ16の側壁に接するp型ベース層6やn型高濃度領域5に対応する。ここまでの状態が、図7に記載される。この状態では、堆積酸化膜20との界面を形成する炭化珪素層22の最表面には、SiおよびCに未結合手(ダングリングボンド)が多数存在している。 First, a deposited oxide film (HTO film) 20 with a thickness of about 50 nm is formed on the surface of the silicon carbide layer 22 by a CVD method or the like (step S11: first process). The silicon carbide layer 22 is a semiconductor layer that is in contact with the gate insulating film 9, and corresponds to the p-type base layer 6 in FIG. 1 and the p-type base layer 6 and n-type high concentration region 5 in contact with the side wall of the trench 16 in FIG. 2. The state up to this point is shown in FIG. 7. In this state, there are many dangling bonds in Si and C on the top surface of the silicon carbide layer 22 that forms the interface with the deposited oxide film 20.

次に、堆積酸化膜20が形成された炭化珪素層22を、窒素を含有するガス雰囲気で熱処理することで、堆積酸化膜20と炭化珪素層22との界面を酸窒化する(ステップS12:第2工程)。これにより、堆積酸化膜20と炭化珪素層22との界面にSiO2/SiC界面21が形成される。酸窒化は、例えば、一酸化窒素(NO)を用いて、1200℃以上1400℃以下の高温で10分間行い(図12の(1))、わずかに界面(炭化珪素層22と堆積酸化膜20とが接する面)酸窒化を進行させる。例えば、L=1nm程度の界面酸窒化を進行させる。酸窒化は、亜酸化窒素(N2O)を用いてもよい。この過程により、炭化珪素層22の最表面に存在する未結合手が窒素で終端されるが、同時に余剰炭素(CC結合、CO結合)が生成される。ただし、酸窒化の時間が短いため、従来の方法よりも、余剰炭素の量は少なくなっている。ここまでの状態が、図8に記載される。 Next, the silicon carbide layer 22 on which the deposited oxide film 20 is formed is heat-treated in a gas atmosphere containing nitrogen, thereby oxynitriding the interface between the deposited oxide film 20 and the silicon carbide layer 22 (step S12: second process). As a result, a SiO 2 /SiC interface 21 is formed at the interface between the deposited oxide film 20 and the silicon carbide layer 22. The oxynitridation is performed, for example, using nitric oxide (NO) at a high temperature of 1200° C. or more and 1400° C. or less for 10 minutes (FIG. 12 (1)), to slightly advance oxynitridation at the interface (the surface where the silicon carbide layer 22 and the deposited oxide film 20 contact each other). For example, the interface oxynitridation is advanced to about L=1 nm. Nitrous oxide (N 2 O) may be used for the oxynitridation. By this process, the dangling bonds present on the outermost surface of the silicon carbide layer 22 are terminated with nitrogen, but at the same time, excess carbon (CC bond, CO bond) is generated. However, since the oxynitriding time is short, the amount of excess carbon is smaller than in the conventional method. The state up to this point is shown in FIG.

次に、SiO2/SiC界面21に第1の低温酸素アニールを行う(ステップS13:第3工程)。第1の低温酸素アニールは、例えば、酸素(O2)ガスを導入し300℃以上650℃以下の温度で30分間行う(図12の(2))。これにより、酸素が図9のSiO2/SiC界面領域21に到達し、SiO2/SiC界面領域21に生成した余剰炭素(CC結合、CO結合)やCN結合の分解と除去が行われる。第1の低温酸素アニールは、酸化を進めないため低温の方が好ましいが、300℃未満であると余剰炭素分解効果がなくなるため、300℃以上が必要となる。ここまでの状態が、図9に記載される。 Next, a first low-temperature oxygen anneal is performed on the SiO 2 /SiC interface 21 (step S13: third process). The first low-temperature oxygen anneal is performed, for example, by introducing oxygen (O 2 ) gas and performing it at a temperature of 300° C. or more and 650° C. or less for 30 minutes ((2) in FIG. 12). As a result, oxygen reaches the SiO 2 /SiC interface region 21 in FIG. 9, and the excess carbon (CC bond, CO bond) and CN bond generated in the SiO 2 /SiC interface region 21 are decomposed and removed. A low temperature is preferable for the first low-temperature oxygen anneal in order not to promote oxidation, but a temperature of 300° C. or more is required because the excess carbon decomposition effect is lost if the temperature is less than 300° C. The state up to this point is shown in FIG. 9.

次に、SiO2/SiC界面21に不活性ガスアニールを行う(ステップS14:第4工程)。不活性ガスアニールは、例えば、窒素(N2)ガスまたはアルゴン(Ar)ガスを用いて、900℃以上1400℃以下の温度で20分間行う(図12の(3))。界面酸化が進行しないように不活性ガスでアニールを行う。これにより、第1の低温酸素アニールで残留したCO結合を高温の不活性ガスアニールによって脱離させる。しかし、この不活性ガスアニールにより、堆積酸化膜20中には、MOSFET特性を劣化させる欠陥となる酸素欠損(Vo)が生じている。ここまでの状態が、図10に記載される。 Next, inert gas annealing is performed on the SiO 2 /SiC interface 21 (step S14: fourth step). The inert gas annealing is performed for 20 minutes at a temperature of 900° C. or higher and 1400° C. or lower using, for example, nitrogen (N 2 ) gas or argon (Ar) gas (FIG. 12 (3)). The annealing is performed with inert gas so that the interface oxidation does not progress. As a result, the CO bonds remaining in the first low-temperature oxygen annealing are desorbed by the high-temperature inert gas annealing. However, this inert gas annealing causes oxygen vacancies (V o ) in the deposited oxide film 20, which become defects that deteriorate the MOSFET characteristics. The state up to this point is shown in FIG. 10.

次に、SiO2/SiC界面21に第2の低温酸素アニールを行う(ステップS15:第5工程)。第2の低温酸素アニールは、例えば、不活性ガスで希釈した濃度が10%の酸素ガスを導入し500℃以上750℃以下の温度で例えば15分間行う(図12の(4))。これにより、高温の不活性ガスアニールで生成した堆積酸化膜20内部の酸素欠損(Vo)を2回目の低温酸素アニールによって終端させる。ここまでの状態が、図11に記載される。第2の低温酸素アニールは、酸素欠損を終端させるため、第1の低温酸素アニールよりも高温で行うことが好ましい。また、第1および第2の低温酸素アニールは界面の酸化を進行させない程度のもので、新たな余剰炭素の生成を抑制する条件で行っている。 Next, a second low-temperature oxygen anneal is performed on the SiO 2 /SiC interface 21 (step S15: fifth step). The second low-temperature oxygen anneal is performed, for example, for 15 minutes at a temperature of 500° C. to 750° C. by introducing oxygen gas diluted with an inert gas and having a concentration of 10% ((4) in FIG. 12). As a result, the oxygen vacancies (V o ) in the deposited oxide film 20 generated by the high-temperature inert gas anneal are terminated by the second low-temperature oxygen anneal. The state up to this point is shown in FIG. 11. The second low-temperature oxygen anneal is preferably performed at a higher temperature than the first low-temperature oxygen anneal in order to terminate the oxygen vacancies. The first and second low-temperature oxygen anneals are performed under conditions that do not advance the oxidation of the interface and suppress the generation of new excess carbon.

次に、ステップS12~ステップS15を所定回繰り返したかを確認する(ステップS16)。所定回は、1回であってもよいが、複数回、例えば3回程度が好ましい。所定回繰り返していない場合(ステップS16:No)、ステップS12~ステップS15を再度行い、堆積酸化膜20の膜厚を厚くさせ、CC結合の酸化と、それによって生成したCOの脱離、酸素欠損修復を繰り返すことで、SiO2/SiC界面21の酸窒化処理が完了する。所定回繰り返した場合(ステップS16:Yes)、堆積酸化膜20がゲート絶縁膜9となり、ゲート絶縁膜9の形成を終了する。 Next, it is confirmed whether steps S12 to S15 have been repeated a predetermined number of times (step S16). The predetermined number of times may be once, but is preferably a plurality of times, for example, about three times. If the predetermined number of times has not been repeated (step S16: No), steps S12 to S15 are performed again to thicken the deposited oxide film 20, and the oxidation of the CC bonds, the desorption of the CO generated thereby, and the repair of the oxygen vacancies are repeated, thereby completing the oxynitridation process of the SiO 2 /SiC interface 21. If the predetermined number of times has been repeated (step S16: Yes), the deposited oxide film 20 becomes the gate insulating film 9, and the formation of the gate insulating film 9 is completed.

次に、ゲート絶縁膜9が設けられたp型ベース層6の上面に、CVD法等により不純物を添加した多結晶シリコン膜(ドープドポリシリコン膜)を堆積させる。そしてフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてドープドポリシリコン膜を所定の形状にパターニングすることにより、図1に示したようにゲート電極10を形成する。 Next, a polycrystalline silicon film (doped polysilicon film) with impurities added thereto is deposited by CVD or the like on the upper surface of the p-type base layer 6 on which the gate insulating film 9 is provided. The doped polysilicon film is then patterned into a predetermined shape using photolithography and etching techniques to form the gate electrode 10 as shown in FIG. 1.

次に、ゲート電極10を被覆するように、CVD法等によりSiO2膜等の層間絶縁膜(図示省略)を全面に堆積させる。そしてフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて層間絶縁膜をパターニングして、n+型ソース領域7およびn+型ドレイン領域19のそれぞれの上面の一部が露出するように、コンタクトホールを開口する。そしてコンタクトホールの開口部に、NiSi膜によるオーミックコンタクトを形成する。その後コンタクトホールを被覆するように、スパッタリング法等により、チタン(Ti)やアルミニウム(Al)等を含む金属膜を全面に堆積する。堆積した金属膜をフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術等を用いて所望の形状にパターニングすることにより、図1に示したソース電極12およびドレイン電極13をそれぞれ形成すれば、実施の形態にかかる絶縁ゲート型半導体装置が完成する。さらに、図示を省略するが、ソース電極12およびドレイン電極13を被覆するように、パッシベーション膜を全面に堆積し、パッシベーション膜の一部を開口して、この開口部に電極パッドをパターニングしてもよい。 Next, an interlayer insulating film (not shown) such as a SiO 2 film is deposited on the entire surface by CVD or the like so as to cover the gate electrode 10. Then, the interlayer insulating film is patterned using photolithography and etching techniques to open contact holes so that parts of the upper surfaces of the n + source region 7 and the n + drain region 19 are exposed. Then, an ohmic contact is formed by a NiSi film at the opening of the contact hole. After that, a metal film containing titanium (Ti), aluminum (Al), or the like is deposited on the entire surface by sputtering or the like so as to cover the contact hole. The deposited metal film is patterned into a desired shape using photolithography and etching techniques, and the source electrode 12 and drain electrode 13 shown in FIG. 1 are formed, respectively, to complete the insulated gate semiconductor device according to the embodiment. Furthermore, although not shown, a passivation film is deposited on the entire surface so as to cover the source electrode 12 and drain electrode 13, and a part of the passivation film is opened, and an electrode pad may be patterned in this opening.

図2に示した縦型MOSFET70は、ゲート絶縁膜9を上述のように形成して、他の構造を一般的な方法により形成することで、製造できる。このため、詳細な製造の方法の記載は省略する。 The vertical MOSFET 70 shown in FIG. 2 can be manufactured by forming the gate insulating film 9 as described above and forming other structures by general methods. For this reason, a detailed description of the manufacturing method will be omitted.

図13は、実施の形態にかかる炭化珪素半導体装置のゲート絶縁膜の形成の概要を示す第2のフローチャートである。第2のフローチャートが、第1のフローチャートと異なる点は、酸窒化工程を1回で行っている点である。つまり、第1のフローチャートではステップS12の酸窒化処理を複数回に分けて、余剰炭素はその都度除去しているのに対し、第2のフローチャートでは、酸窒化処理は一度ですべて完了させ、余剰炭素(CC結合等)の分解・除去を複数回の工程に分けている点が異なる。 Figure 13 is a second flowchart showing an overview of the formation of a gate insulating film of a silicon carbide semiconductor device according to an embodiment. The second flowchart differs from the first flowchart in that the oxynitriding process is performed in one go. That is, in the first flowchart, the oxynitriding process in step S12 is performed multiple times, and excess carbon is removed each time, whereas in the second flowchart, the oxynitriding process is completed all at once, and the decomposition and removal of excess carbon (CC bonds, etc.) is performed in multiple steps.

まず、第1のフローチャートと同様に、CVD法等により、炭化珪素層22の表面に膜厚50nm程度のHTO膜(堆積酸化膜)20を形成する(ステップS21:第1工程)。 First, as in the first flowchart, an HTO film (deposited oxide film) 20 with a thickness of about 50 nm is formed on the surface of the silicon carbide layer 22 by a CVD method or the like (step S21: first process).

次に、堆積酸化膜20が形成された炭化珪素層22を、窒素を含有するガス雰囲気で熱処理することで、SiO2/SiC界面21を酸窒化する(ステップS22:第2工程)。酸窒化は、例えば、一酸化窒素(NO)を用いて、1200℃以上1400℃以下の高温で30分間行い界面酸化を3nm程度進行させる。この過程により、炭化珪素層22の最表面に存在する未結合手が窒素で終端されるが、同時に余剰炭素(CC結合等)が生成される。 Next, the silicon carbide layer 22 on which the deposited oxide film 20 is formed is heat-treated in a nitrogen-containing gas atmosphere to oxynitride the SiO2 /SiC interface 21 (step S22: second process). The oxynitridation is performed for 30 minutes at a high temperature of 1200°C to 1400°C using, for example, nitric oxide (NO), and the interface oxidation proceeds by about 3 nm. Through this process, dangling bonds present on the outermost surface of the silicon carbide layer 22 are terminated with nitrogen, and at the same time, excess carbon (CC bonds, etc.) is generated.

次に、第1のフローチャートと同様に、SiO2/SiC界面21に第1の低温酸素アニールを行う(ステップS23:第3工程)。第1の低温酸素アニールは、例えば、酸素ガスを導入し300℃以上650℃以下の温度で30分間行う。これにより、酸素がCC結合等に到達することで、SiO2/SiC界面21に生成した余剰炭素(CC結合、CO結合)やCN結合の分解と除去が行われる。 Next, similarly to the first flow chart, a first low-temperature oxygen anneal is performed on the SiO2 /SiC interface 21 (step S23: third process). The first low-temperature oxygen anneal is performed, for example, by introducing oxygen gas and performing it for 30 minutes at a temperature of 300°C to 650°C. As a result, oxygen reaches the C-C bonds and the like, thereby decomposing and removing the excess carbon (C-C bonds, C-O bonds) and C-N bonds generated at the SiO2 /SiC interface 21.

次に、第1のフローチャートと同様に、SiO2/SiC界面21に不活性ガスアニールを行う(ステップS24:第4工程)。不活性ガスアニールは、例えば、窒素ガスまたはアルゴンガスを用いて、900℃以上1400℃以下の温度で20分間行う。界面酸化が進行しないように不活性ガスでアニールを行う。これにより、第1の低温酸素アニールで残留したCO結合を高温の不活性ガスアニールによって脱離させる。同時に、SiO2/SiC界面21付近の堆積酸化膜20に酸素欠損(Vo)が生じる。 Next, in the same manner as in the first flow chart, inert gas annealing is performed on the SiO2 /SiC interface 21 (step S24: fourth process). The inert gas annealing is performed for 20 minutes at a temperature of 900°C to 1400°C using, for example, nitrogen gas or argon gas. The annealing is performed with the inert gas so that the oxidation of the interface does not progress. As a result, the CO bonds remaining in the first low-temperature oxygen annealing are desorbed by the high-temperature inert gas annealing. At the same time, oxygen deficiency (Vo) occurs in the deposited oxide film 20 near the SiO2 /SiC interface 21.

次に、第1のフローチャートと同様に、SiO2/SiC界面21に第2の低温酸素アニールを行う(ステップS25:第5工程)。第2の低温酸素アニールは、例えば、酸素ガスを導入し500℃以上750℃以下の温度で例えば15分間行う。これにより、高温の不活性ガスアニールで生成した堆積酸化膜20内部の酸素欠損(Vo)を2回目の低温酸素アニールによって終端させる。また、第1および第2の低温酸素アニールは界面の酸化を進行させない程度のもので、新たな余剰炭素の生成を抑制する条件で行っている。 Next, similarly to the first flow chart, a second low-temperature oxygen anneal is performed on the SiO2 /SiC interface 21 (step S25: fifth process). The second low-temperature oxygen anneal is performed, for example, by introducing oxygen gas and at a temperature of 500°C to 750°C for, for example, 15 minutes. As a result, the oxygen vacancies (Vo) in the deposited oxide film 20 generated by the high-temperature inert gas anneal are terminated by the second low-temperature oxygen anneal. The first and second low-temperature oxygen anneals are performed under conditions that do not advance oxidation of the interface and suppress the generation of new excess carbon.

次に、ステップS23~ステップS25を所定回繰り返したかを確認する(ステップS26)。所定回は、1回であってもよいが、複数回例えば、3回程度が好ましい。所定回繰り返していない場合(ステップS26:No)、ステップS23~ステップS25を再度行い、CC結合の酸化と、それによって生成したCOの脱離、酸素欠損修復を繰り返す。所定回繰り返した場合(ステップS26:Yes)、堆積酸化膜20がゲート絶縁膜9となり、ゲート絶縁膜9の形成を終了する。 Next, it is confirmed whether steps S23 to S25 have been repeated a predetermined number of times (step S26). The predetermined number of times may be once, but is preferably multiple times, for example, about three times. If the predetermined number of times has not been repeated (step S26: No), steps S23 to S25 are performed again to repeat the oxidation of the CC bonds, the desorption of the CO generated thereby, and the repair of the oxygen vacancies. If the predetermined number of times has been repeated (step S26: Yes), the deposited oxide film 20 becomes the gate insulating film 9, and the formation of the gate insulating film 9 is completed.

以下に、種々の条件で実施の形態の製造方法でMOSFETを形成して、移動度を測定した結果を示す。また、従来の製造方法でMOSFETを形成して、移動度を測定した結果も示す。ここで、実施例1-1~1-4と比較例1-1~1-4は、低温酸素アニールの温度依存性を確認するために行い、実施例1-5~1-6と比較例1-5~1-6は、不活性ガスアニールの温度依存性を確認するために行っている。実施例2と比較例2は、縦型MOSFET70で移動度を測定した結果を示す。 The following shows the results of measuring the mobility of MOSFETs formed using the manufacturing method of the embodiment under various conditions. Also shown are the results of measuring the mobility of MOSFETs formed using a conventional manufacturing method. Here, Examples 1-1 to 1-4 and Comparative Examples 1-1 to 1-4 were performed to confirm the temperature dependency of low-temperature oxygen annealing, and Examples 1-5 to 1-6 and Comparative Examples 1-5 to 1-6 were performed to confirm the temperature dependency of inert gas annealing. Example 2 and Comparative Example 2 show the results of measuring the mobility of a vertical MOSFET 70.

(実施例1-1)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFET50を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、10分間処理後、NOガスの導入を停止し、温度を600℃まで低下させる。
(2)酸素ガスを導入し、600℃、1気圧の雰囲気で第1の低温酸素アニールを30分実施する。処理後、酸素導入を停止し、温度を1300℃まで上昇させる。
(3)アルゴンガスを導入し、1300℃、1気圧の雰囲気でアルゴンアニールを20分実施する。処理後、アルゴンガスの導入を停止し、温度を700℃まで低下させる。
(4)10%の酸素ガスを導入し、700℃、1気圧の雰囲気で第2の低温酸素アニールを15分実施する。
上記(1)~(4)を3回繰り返し実施して、ゲート絶縁膜9を形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。実施例1の横型MOSFET50の移動度は約80cm2/Vsであった。
(Example 1-1)
First, a planar gate lateral MOSFET 50 was fabricated using a 4H—SiC substrate having a surface inclined by 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) After treatment in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300°C for 10 minutes, the introduction of NO gas is stopped and the temperature is lowered to 600°C.
(2) Oxygen gas is introduced, and a first low-temperature oxygen anneal is carried out for 30 minutes in an atmosphere of 600° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of oxygen is stopped, and the temperature is increased to 1300° C.
(3) Argon gas is introduced and argon annealing is performed for 20 minutes in an atmosphere of 1300° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of argon gas is stopped and the temperature is reduced to 700° C.
(4) 10% oxygen gas is introduced, and a second low-temperature oxygen anneal is carried out at 700° C. and 1 atm for 15 minutes.
The above steps (1) to (4) were repeated three times to form the gate insulating film 9. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Example 1 was about 80 cm 2 /Vs.

(実施例1-2)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFET50を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、10分間処理後、NOガスの導入を停止し、温度を650℃まで低下させる。
(2)酸素ガスを導入し、650℃、1気圧の雰囲気で第1の低温酸素アニールを30分実施する。処理後、酸素導入を停止し、温度を1300℃まで上昇させる。
(3)アルゴンガスを導入し、1300℃、1気圧の雰囲気でアルゴンアニールを20分実施する。処理後、アルゴンガスの導入を停止し、温度を750℃まで低下させる。
(4)10%の酸素ガスを導入し、750℃、1気圧の雰囲気で第2の低温酸素アニールを10分実施する。
上記(1)~(4)を3回繰り返し実施して、ゲート絶縁膜9を形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。実施例1-2の横型MOSFET50の移動度は約75cm2/Vsであった。
(Example 1-2)
First, a planar gate lateral MOSFET 50 was fabricated using a 4H—SiC substrate having a surface inclined by 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) After treatment in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300°C for 10 minutes, the introduction of NO gas is stopped and the temperature is reduced to 650°C.
(2) Oxygen gas is introduced, and a first low-temperature oxygen anneal is carried out for 30 minutes in an atmosphere of 650° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of oxygen is stopped, and the temperature is increased to 1300° C.
(3) Argon gas is introduced, and argon annealing is performed for 20 minutes in an atmosphere of 1300° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of argon gas is stopped, and the temperature is reduced to 750° C.
(4) 10% oxygen gas is introduced, and a second low-temperature oxygen anneal is carried out at 750° C. and 1 atm for 10 minutes.
The above steps (1) to (4) were repeated three times to form the gate insulating film 9. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Example 1-2 was about 75 cm 2 /Vs.

(実施例1-3)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFET50を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、10分間処理後、NOガスの導入を停止し、温度を300℃まで低下させる。
(2)酸素ガスを導入し、300℃、1気圧の雰囲気で第1の低温酸素アニールを120分実施する。処理後、酸素導入を停止し、温度を1300℃まで上昇させる。
(3)アルゴンガスを導入し、1300℃、1気圧の雰囲気でアルゴンアニールを20分実施する。処理後、アルゴンガスの導入を停止し、温度を500℃まで低下させる。
(4)10%の酸素ガスを導入し、500℃、1気圧の雰囲気で第2の低温酸素アニールを30分実施する。
上記(1)~(4)を3回繰り返し実施して、ゲート絶縁膜9を形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。実施例1-3の横型MOSFET50の移動度は約75cm2/Vsであった。
(Examples 1 to 3)
First, a planar gate lateral MOSFET 50 was fabricated using a 4H—SiC substrate having a surface inclined by 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) After treatment in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300°C for 10 minutes, the introduction of NO gas is stopped and the temperature is lowered to 300°C.
(2) Oxygen gas is introduced, and a first low-temperature oxygen anneal is carried out for 120 minutes in an atmosphere of 300° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of oxygen is stopped, and the temperature is increased to 1300° C.
(3) Argon gas is introduced, and argon annealing is performed for 20 minutes in an atmosphere of 1300° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of argon gas is stopped, and the temperature is reduced to 500° C.
(4) 10% oxygen gas is introduced, and a second low-temperature oxygen anneal is carried out at 500° C. and 1 atm for 30 minutes.
The above steps (1) to (4) were repeated three times to form the gate insulating film 9. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Example 1-3 was about 75 cm 2 /Vs.

(実施例1-4)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFET50を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、30分間処理後、NOガスの導入を停止し、温度を650℃まで低下させる。
(2)酸素ガスを導入し、650℃、1気圧の雰囲気で第1の低温酸素アニールを30分実施する。処理後、酸素導入を停止し、温度を1300℃まで上昇させる。
(3)アルゴンガスを導入し、1300℃、1気圧の雰囲気でアルゴンアニールを20分実施する。処理後、アルゴンガスの導入を停止し、温度を750℃まで低下させる。
(4)10%の酸素ガスを導入し、750℃、1気圧の雰囲気で第2の低温酸素アニールを10分実施する。
上記(2)~(4)を3回繰り返し実施して、ゲート絶縁膜9を形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。実施例1-4の横型MOSFET50の移動度は約77cm2/Vsであった。
(Examples 1 to 4)
First, a planar gate lateral MOSFET 50 was fabricated using a 4H—SiC substrate having a surface inclined by 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) After treatment in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300°C for 30 minutes, the introduction of NO gas is stopped and the temperature is reduced to 650°C.
(2) Oxygen gas is introduced, and a first low-temperature oxygen anneal is carried out for 30 minutes in an atmosphere of 650° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of oxygen is stopped, and the temperature is increased to 1300° C.
(3) Argon gas is introduced, and argon annealing is performed for 20 minutes in an atmosphere of 1300° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of argon gas is stopped, and the temperature is reduced to 750° C.
(4) 10% oxygen gas is introduced, and a second low-temperature oxygen anneal is carried out at 750° C. and 1 atm for 10 minutes.
The above steps (2) to (4) were repeated three times to form the gate insulating film 9. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Example 1-4 was about 77 cm 2 /Vs.

(実施例1-5)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFET50を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、10分間処理後、NOガスの導入を停止し、温度を600℃まで低下させる。
(2)酸素ガスを導入し、600℃、1気圧の雰囲気で第1の低温酸素アニールを30分実施する。処理後、酸素導入を停止し、温度を900℃まで上昇させる。
(3)アルゴンガスを導入し、900℃、1気圧の雰囲気でアルゴンアニールを90分実施する。処理後、アルゴンガスの導入を停止し、温度を700℃まで低下させる。
(4)10%の酸素ガスを導入し、700℃、1気圧の雰囲気で第2の低温酸素アニールを15分実施する。
上記(1)~(4)を3回繰り返し実施して、ゲート絶縁膜9を形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。実施例1-5の横型MOSFET50の移動度は約80cm2/Vsであった。
(Examples 1 to 5)
First, a planar gate lateral MOSFET 50 was fabricated using a 4H—SiC substrate having a surface inclined by 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) After treatment in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300°C for 10 minutes, the introduction of NO gas is stopped and the temperature is lowered to 600°C.
(2) Oxygen gas is introduced, and a first low-temperature oxygen anneal is carried out for 30 minutes in an atmosphere of 600° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of oxygen is stopped, and the temperature is increased to 900° C.
(3) Argon gas is introduced, and argon annealing is performed for 90 minutes in an atmosphere of 900° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of argon gas is stopped, and the temperature is reduced to 700° C.
(4) 10% oxygen gas is introduced, and a second low-temperature oxygen anneal is carried out at 700° C. and 1 atm for 15 minutes.
The above steps (1) to (4) were repeated three times to form the gate insulating film 9. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Example 1-5 was about 80 cm 2 /Vs.

(実施例1-6)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFET50を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、10分間処理後、NOガスの導入を停止し、温度を600℃まで低下させる。
(2)酸素ガスを導入し、600℃、1気圧の雰囲気で第1の低温酸素アニールを30分実施する。処理後、酸素導入を停止し、温度を1400℃まで上昇させる。
(3)アルゴンガスを導入し、1400℃、1気圧の雰囲気でアルゴンアニールを15分実施する。処理後、アルゴンガスの導入を停止し、温度を700℃まで低下させる。
(4)10%の酸素ガスを導入し、700℃、1気圧の雰囲気で第2の低温酸素アニールを15分実施する。
上記(1)~(4)を3回繰り返し実施して、ゲート絶縁膜9を形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。実施例1-6の横型MOSFET50の移動度は約80cm2/Vsであった。
(Examples 1 to 6)
First, a planar gate lateral MOSFET 50 was fabricated using a 4H—SiC substrate having a surface inclined by 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) After treatment in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300°C for 10 minutes, the introduction of NO gas is stopped and the temperature is lowered to 600°C.
(2) Oxygen gas is introduced, and a first low-temperature oxygen anneal is carried out for 30 minutes in an atmosphere of 600° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of oxygen is stopped, and the temperature is increased to 1400° C.
(3) Argon gas is introduced, and argon annealing is performed for 15 minutes in an atmosphere of 1400° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of argon gas is stopped, and the temperature is reduced to 700° C.
(4) 10% oxygen gas is introduced, and a second low-temperature oxygen anneal is carried out at 700° C. and 1 atm for 15 minutes.
The above steps (1) to (4) were repeated three times to form the gate insulating film 9. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Example 1-6 was about 80 cm 2 /Vs.

(比較例1-1)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFET50を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、30分間処理を実施した。
形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。比較例1-1の横型MOSFET50の移動度は約20cm2/Vsであった。
(Comparative Example 1-1)
First, a planar gate lateral MOSFET 50 was fabricated using a 4H—SiC substrate having a surface inclined by 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) Treatment was carried out in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300° C. for 30 minutes.
The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Comparative Example 1-1 was about 20 cm 2 /Vs.

(比較例1-2)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFET50を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、10分間処理後、NOガスの導入を停止し、温度を250℃まで低下させる。
(2)酸素ガスを導入し、250℃、1気圧の雰囲気で第1の低温酸素アニールを180分実施する。処理後、酸素導入を停止し、温度を1300℃まで上昇させる。
(3)アルゴンガスを導入し、1300℃、1気圧の雰囲気でアルゴンアニールを20分実施する。処理後、アルゴンガスの導入を停止し、温度を450℃まで低下させる。
(4)10%の酸素ガスを導入し、450℃、1気圧の雰囲気で第2の低温酸素アニールを60分実施する。
上記(1)~(4)を3回繰り返し実施して、ゲート絶縁膜9を形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。比較例1-2の横型MOSFET50の移動度は約25cm2/Vsであった。
(Comparative Example 1-2)
First, a planar gate lateral MOSFET 50 was fabricated using a 4H—SiC substrate having a surface inclined by 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) After treatment in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300°C for 10 minutes, the introduction of NO gas is stopped and the temperature is lowered to 250°C.
(2) Oxygen gas is introduced, and a first low-temperature oxygen anneal is carried out for 180 minutes in an atmosphere of 250° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of oxygen is stopped, and the temperature is increased to 1300° C.
(3) Argon gas is introduced, and argon annealing is performed for 20 minutes in an atmosphere of 1300° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of argon gas is stopped, and the temperature is reduced to 450° C.
(4) 10% oxygen gas is introduced, and a second low-temperature oxygen anneal is carried out at 450° C. and 1 atm for 60 minutes.
The above steps (1) to (4) were repeated three times to form the gate insulating film 9. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Comparative Example 1-2 was about 25 cm 2 /Vs.

(比較例1-3)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFET50を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、10分間処理後、NOガスの導入を停止し、温度を700℃まで低下させる。
(2)酸素ガスを導入し、700℃、1気圧の雰囲気で第1の低温酸素アニールを20分実施する。処理後、酸素導入を停止し、温度を1300℃まで上昇させる。
(3)アルゴンガスを導入し、1300℃、1気圧の雰囲気でアルゴンアニールを20分実施する。処理後、アルゴンガスの導入を停止し、温度を750℃まで低下させる。
(4)10%の酸素ガスを導入し、750℃、1気圧の雰囲気で第2の低温酸素アニールを10分実施する。
上記(1)~(4)を3回繰り返し実施して、ゲート絶縁膜9を形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。比較例1-3の横型MOSFET50の移動度は約25cm2/Vsであった。
(Comparative Example 1-3)
First, a planar gate lateral MOSFET 50 was fabricated using a 4H—SiC substrate having a surface inclined by 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) After treatment in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300°C for 10 minutes, the introduction of NO gas is stopped and the temperature is lowered to 700°C.
(2) Oxygen gas is introduced, and a first low-temperature oxygen anneal is carried out for 20 minutes in an atmosphere of 700° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of oxygen is stopped, and the temperature is increased to 1300° C.
(3) Argon gas is introduced, and argon annealing is performed for 20 minutes in an atmosphere of 1300° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of argon gas is stopped, and the temperature is reduced to 750° C.
(4) 10% oxygen gas is introduced, and a second low-temperature oxygen anneal is carried out at 750° C. and 1 atm for 10 minutes.
The above steps (1) to (4) were repeated three times to form the gate insulating film 9. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Comparative Example 1-3 was about 25 cm 2 /Vs.

(比較例1-4)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFET50を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、10分間処理後、NOガスの導入を停止し、温度を800℃まで低下させる。
(2)酸素ガスを導入し、800℃、1気圧の雰囲気で第1の低温酸素アニールを10分実施する。処理後、酸素導入を停止し、温度を1300℃まで上昇させる。
(3)アルゴンガスを導入し、1300℃、1気圧の雰囲気でアルゴンアニールを20分実施する。処理後、アルゴンガスの導入を停止し、温度を800℃まで低下させる。
(4)10%の酸素ガスを導入し、800℃、1気圧の雰囲気で第2の低温酸素アニールを5分実施する。
上記(1)~(4)を3回繰り返し実施して、ゲート絶縁膜9を形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。比較例1-4の横型MOSFET50の移動度は約15cm2/Vsであった。
(Comparative Examples 1 to 4)
First, a planar gate lateral MOSFET 50 was fabricated using a 4H—SiC substrate having a surface tilted 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) After treatment in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300°C for 10 minutes, the introduction of NO gas is stopped and the temperature is lowered to 800°C.
(2) Oxygen gas is introduced, and a first low-temperature oxygen anneal is carried out for 10 minutes in an atmosphere of 800° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of oxygen is stopped, and the temperature is increased to 1300° C.
(3) Argon gas is introduced, and argon annealing is performed for 20 minutes in an atmosphere of 1300° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of argon gas is stopped, and the temperature is reduced to 800° C.
(4) 10% oxygen gas is introduced, and a second low-temperature oxygen anneal is carried out at 800° C. and 1 atm for 5 minutes.
The above steps (1) to (4) were repeated three times to form the gate insulating film 9. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Comparative Example 1-4 was about 15 cm 2 /Vs.

(比較例1-5)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFETを作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、10分間処理後、NOガスの導入を停止し、温度を600℃まで低下させる。
(2)酸素ガスを導入し、600℃、1気圧の雰囲気で第1の低温酸素アニールを30分実施する。処理後、酸素導入を停止し、温度を800℃まで上昇させる。
(3)アルゴンガスを導入し、800℃、1気圧の雰囲気でアルゴンアニールを120分実施する。処理後、アルゴンガスの導入を停止し、温度を700℃まで低下させる。
(4)10%酸素ガスを導入し、700℃、1気圧の雰囲気で第2の低温酸素アニールを15分実施する。
上記(1)~(4)を3回繰り返し実施して、ゲート絶縁膜9を形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。比較例1-5の横型MOSFET50の移動度は約40cm2/Vsであった。
(Comparative Example 1-5)
First, a planar gate lateral MOSFET was fabricated using a 4H-SiC substrate having a surface tilted 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) After treatment in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300°C for 10 minutes, the introduction of NO gas is stopped and the temperature is lowered to 600°C.
(2) Oxygen gas is introduced, and a first low-temperature oxygen anneal is carried out for 30 minutes in an atmosphere of 600° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of oxygen is stopped, and the temperature is increased to 800° C.
(3) Argon gas is introduced, and argon annealing is performed for 120 minutes in an atmosphere of 800° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of argon gas is stopped, and the temperature is reduced to 700° C.
(4) 10% oxygen gas is introduced, and a second low-temperature oxygen anneal is carried out at 700° C. and 1 atm for 15 minutes.
The above steps (1) to (4) were repeated three times to form the gate insulating film 9. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Comparative Example 1-5 was about 40 cm 2 /Vs.

(比較例1-6)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、プレーナーゲート型の横型MOSFET50を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程では、高温堆積膜(HTO膜)形成後、下記の工程を実施した。
(1)一酸化窒素(NO)ガス雰囲気(10%)で1300℃、10分間処理後、NOガスの導入を停止し、温度を600℃まで低下させる。
(2)酸素ガスを導入し、600℃、1気圧の雰囲気で第1の低温酸素アニールを30分実施する。処理後、酸素導入を停止し、温度を1500℃まで上昇させる。
(3)アルゴンガスを導入し、1500℃、1気圧の雰囲気でアルゴンアニールを10分実施する。処理後、アルゴンガスの導入を停止し、温度を700℃まで低下させる。
(4)10%酸素ガスを導入し、700℃、1気圧の雰囲気で第2の低温酸素アニールを15分実施する。
上記(1)~(4)を3回繰り返し実施して、ゲート絶縁膜9を形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。比較例1-6の横型MOSFET50の移動度は約30cm2/Vsであった。
(Comparative Example 1-6)
First, a planar gate lateral MOSFET 50 was fabricated using a 4H—SiC substrate having a surface inclined by 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. In the process of forming the gate insulating film 9, the following process was carried out after forming a high-temperature deposition film (HTO film).
(1) After treatment in a nitric oxide (NO) gas atmosphere (10%) at 1300°C for 10 minutes, the introduction of NO gas is stopped and the temperature is lowered to 600°C.
(2) Oxygen gas is introduced, and a first low-temperature oxygen anneal is carried out for 30 minutes in an atmosphere of 600° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of oxygen is stopped, and the temperature is increased to 1500° C.
(3) Argon gas is introduced, and argon annealing is performed for 10 minutes in an atmosphere of 1500° C. and 1 atm. After the treatment, the introduction of argon gas is stopped, and the temperature is reduced to 700° C.
(4) 10% oxygen gas is introduced, and a second low-temperature oxygen anneal is carried out at 700° C. and 1 atm for 15 minutes.
The above steps (1) to (4) were repeated three times to form the gate insulating film 9. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the lateral MOSFET 50 of Comparative Example 1-6 was about 30 cm 2 /Vs.

(実施例2)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、トレンチ型の縦型MOSFET70を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程は、実施例1-1と同様に形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。実施例2の縦型MOSFET70の移動度は約120cm2/Vsであった。
Example 2
First, a trench-type vertical MOSFET 70 was fabricated using a 4H-SiC substrate having a surface tilted by 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. The gate insulating film 9 was formed in the same manner as in Example 1-1. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the vertical MOSFET 70 of Example 2 was approximately 120 cm 2 /Vs.

(比較例2)
まず、n+型炭化珪素基板1として(0001)面を4度傾けた面を基板の主面とする4H-SiC基板を用いて、トレンチ型の縦型MOSFET70を作成した。ゲート絶縁膜9の形成工程は、比較例1-1と同様に形成した。形成したゲート絶縁膜9の膜厚は60nmであった。実施例2の縦型MOSFET70の移動度は約60cm2/Vsであった。
(Comparative Example 2)
First, a trench-type vertical MOSFET 70 was fabricated using a 4H-SiC substrate having a surface tilted 4 degrees from the (0001) plane as the main surface of the substrate as the n + -type silicon carbide substrate 1. The gate insulating film 9 was formed in the same manner as in Comparative Example 1-1. The thickness of the formed gate insulating film 9 was 60 nm. The mobility of the vertical MOSFET 70 of Example 2 was approximately 60 cm 2 /Vs.

図14は、実施例および比較例での電界効果移動度、余剰炭素量およびCNピークを示す表である。ここで、図14の余剰炭素量およびCNピークは、それぞれ、上述したEELSおよびXPSで測定した。 Figure 14 is a table showing the field effect mobility, excess carbon amount, and CN peak in the examples and comparative examples. Here, the excess carbon amount and CN peak in Figure 14 were measured by the EELS and XPS described above, respectively.

図14に示すように、余剰炭素量(CC結合、CO結合量)、CNピークともに比較例に対して実施例の方が低く、欠陥となりえる成分が減少していることが分かる。余剰炭素量は対SiC面積強度比で0.05以下であり、かつCNピークが対N1s面積強度比で0.09以下であると移動度の大幅な向上がみられる。このため、移動度の向上はこれらの成分の減少によるものと考えられる。 As shown in Figure 14, the amount of excess carbon (CC bonds, CO bonds) and the CN peak are both lower in the examples than in the comparative examples, and it can be seen that components that can become defects are reduced. When the amount of excess carbon is 0.05 or less in terms of the area intensity ratio to SiC and the CN peak is 0.09 or less in terms of the area intensity ratio to N1s, a significant improvement in mobility is observed. Therefore, it is believed that the improvement in mobility is due to the reduction in these components.

また、比較例1-2~1-4より、第1低温酸素アニール温度が300℃未満、および第2の低温酸素アニール温度が500℃未満になると、熱エネルギーが低い影響で余剰炭素分解効果や酸化膜中の酸素欠損終端効果がなくなる。第1の低温酸素アニール温度が700℃以上になると余剰炭素分解への酸素吸着効果がなくなり、第2の低温酸素アニール温度が800℃以上になるとSiCの酸化が起こり始めて余剰炭素量が増加する影響が出てくる。 In addition, from Comparative Examples 1-2 to 1-4, when the first low-temperature oxygen annealing temperature is less than 300°C and the second low-temperature oxygen annealing temperature is less than 500°C, the low thermal energy causes no excess carbon decomposition effect or no oxygen vacancy termination effect in the oxide film. When the first low-temperature oxygen annealing temperature is 700°C or higher, the oxygen adsorption effect on excess carbon decomposition disappears, and when the second low-temperature oxygen annealing temperature is 800°C or higher, oxidation of SiC begins to occur, causing an increase in the amount of excess carbon.

また、比較例1-5より、アルゴンによる不活性ガスアニール温度が900℃未満では、熱エネルギーが低い影響でCO脱離効果がなくなり、比較例1-6より、1500℃以上では雰囲気に残留している酸素の影響で余剰炭素量が増加する影響が出てくる。実施例にはないが、不活性ガスアニールでアルゴン以外に窒素ガスを使用しても同様の効果があった。 In addition, Comparative Example 1-5 shows that when the inert gas annealing temperature using argon is less than 900°C, the CO desorption effect is lost due to the low thermal energy, and Comparative Example 1-6 shows that when the temperature is 1500°C or higher, the amount of excess carbon increases due to the influence of oxygen remaining in the atmosphere. Although not shown in the examples, the same effect was obtained when nitrogen gas was used instead of argon in the inert gas annealing.

以上の結果から、第1の低温酸素アニールの温度は、300℃以上650℃以下の温度範囲が好適であり、第2の低温酸素アニールの温度は、500℃以上750℃以下の温度範囲が好適であり、不活性ガスアニールの温度は、900℃以上1400℃以下の温度範囲が好適である。 From the above results, the temperature range of the first low-temperature oxygen anneal is preferably 300°C or higher and 650°C or lower, the temperature range of the second low-temperature oxygen anneal is preferably 500°C or higher and 750°C or lower, and the temperature range of the inert gas anneal is preferably 900°C or higher and 1400°C or lower.

また、第1および第2の低温酸素アニール、不活性ガスアニールの処理時間については、当該処理温度で実施する上では実施例に示した処理時間よりも長時間になっても構わないが(低温処理であるため反応や脱離の速度が遅いため)、工程の効率を考慮すると、2時間以内に収めるのが好適である。 The processing times for the first and second low-temperature oxygen anneals and inert gas anneals may be longer than those shown in the examples when performed at the relevant processing temperatures (because these are low-temperature processes and the reaction and desorption rates are slow), but considering the efficiency of the process, it is preferable to keep the processing times within two hours.

また、図14には、記載していないが、実施例1-1~1-6,2において、上記(1)~(4)を1回行った場合でも、電界効果移動度、余剰炭素量およびCNピークに対して、実施例と同様の効果がある。 Although not shown in Figure 14, in Examples 1-1 to 1-6 and 2, even if steps (1) to (4) above are performed once, the same effects as in the examples are obtained with respect to the field effect mobility, the amount of excess carbon, and the CN peak.

以上、説明したように、実施の形態によれば、HTO膜を形成後、わずかに界面酸化を進行させ、第1の低温酸素アニールにより、生成した余剰炭素(CC結合、CO結合)やCN結合の分解と除去を行い、残留したCO結合を高温の不活性ガスアニールによって脱離させ、高温の不活性ガスアニールで生成した内部の欠陥を第2の低温酸素アニールによって終端させている。これにより、ゲート絶縁膜中に残留する余剰炭素(CC結合、CO結合)やCN結合を減少させることができる。このため、炭化珪素半導体装置の移動度特性や信頼性が低下することを防止できる。 As described above, according to the embodiment, after forming the HTO film, the interface oxidation is slightly advanced, and the excess carbon (CC bonds, CO bonds) and CN bonds generated are decomposed and removed by the first low-temperature oxygen anneal, the remaining CO bonds are desorbed by the high-temperature inert gas anneal, and the internal defects generated by the high-temperature inert gas anneal are terminated by the second low-temperature oxygen anneal. This makes it possible to reduce the excess carbon (CC bonds, CO bonds) and CN bonds remaining in the gate insulating film. This makes it possible to prevent the mobility characteristics and reliability of the silicon carbide semiconductor device from deteriorating.

以上において本発明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であり、上述した各実施の形態において、例えば各部の寸法や不純物濃度等は要求される仕様等に応じて種々設定される。また、本発明は、炭化珪素基板の主面に設けた熱酸化膜をゲート絶縁膜とするMOSゲートを備えた様々な構造の炭化珪素半導体装置に適用可能である。例えば、本発明は、MOSFETやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等のMOS型炭化珪素半導体装置に適用可能であり、その構造は縦型、横型、プレーナーゲート構造およびトレンチゲート構造のいずれであってもよい。 The present invention can be modified in various ways without departing from the spirit of the invention, and in each of the above-mentioned embodiments, for example, the dimensions of each part and the impurity concentration are set in various ways according to the required specifications. The present invention can also be applied to silicon carbide semiconductor devices of various structures that have a MOS gate with a thermal oxide film provided on the main surface of a silicon carbide substrate as the gate insulating film. For example, the present invention can be applied to MOS-type silicon carbide semiconductor devices such as MOSFETs and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), and the structure may be any of vertical, horizontal, planar gate, and trench gate structures.

以上のように、本発明にかかる炭化珪素半導体装置および炭化珪素半導体装置の製造方法は、MOS型炭化珪素半導体装置に有用である。 As described above, the silicon carbide semiconductor device and the method for manufacturing the silicon carbide semiconductor device according to the present invention are useful for MOS-type silicon carbide semiconductor devices.

1 n+型炭化珪素基板
2 n-型炭化珪素エピタキシャル層
3 第1p+型ベース領域
4 第2p+型ベース領域
5 n型高濃度領域
6 p型ベース層
7 n+型ソース領域
8 p+型コンタクト領域
9 ゲート絶縁膜
10 ゲート電極
11 層間絶縁膜
12 ソース電極
13 ドレイン電極
14 バリアメタル
16 トレンチ
17 n+型領域
18 炭化珪素半導体基体
19 n+型ドレイン領域
20 堆積酸化膜
21 SiO2/SiC界面
22 炭化珪素層
50 横型MOSFET
70 縦型MOSFET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 n + type silicon carbide substrate 2 n- type silicon carbide epitaxial layer 3 First p + type base region 4 Second p + type base region 5 N type high concentration region 6 p type base layer 7 n + type source region 8 p + type contact region 9 Gate insulating film 10 Gate electrode 11 Interlayer insulating film 12 Source electrode 13 Drain electrode 14 Barrier metal 16 Trench 17 n + type region 18 Silicon carbide semiconductor substrate 19 n + type drain region 20 Deposited oxide film 21 SiO2 /SiC interface 22 Silicon carbide layer 50 Lateral MOSFET
70 Vertical MOSFET

Claims (6)

ゲート絶縁膜を有する炭化珪素半導体装置の製造方法において、
炭化珪素からなる半導体層に前記ゲート絶縁膜を形成する工程は、
炭化珪素からなる前記半導体層のおもて面に、堆積酸化膜を形成する第1工程と、
窒素を含有するガスを用いて前記半導体層と前記堆積酸化膜との界面を酸窒化する第2工程と、
前記界面に第1の酸素アニールを300℃以上650℃以下の温度で行う第3工程と、
前記界面に不活性ガスアニールを900℃以上1400℃以下の温度で行う第4工程と、
前記界面に第2の酸素アニールを500℃以上750℃以下の温度で行う第5工程と、
をこの順に含むことを特徴とする炭化珪素半導体装置の製造方法。
1. A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device having a gate insulating film, comprising:
The step of forming the gate insulating film on the semiconductor layer made of silicon carbide includes:
A first step of forming a deposited oxide film on a front surface of the semiconductor layer made of silicon carbide;
a second step of oxynitriding the interface between the semiconductor layer and the deposited oxide film using a nitrogen-containing gas;
a third step of performing a first oxygen anneal on the interface at a temperature of 300° C. or more and 650° C. or less ;
A fourth step of performing inert gas annealing on the interface at a temperature of 900° C. or more and 1400° C. or less ;
A fifth step of performing a second oxygen anneal on the interface at a temperature of 500° C. to 750° C.;
A method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device comprising the steps of:
前記第2工程から前記第5工程を複数回繰り返すことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, characterized in that the second to fifth steps are repeated multiple times. 前記第3工程から前記第5工程を複数回繰り返すことを特徴とする請求項1に記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to claim 1, characterized in that the third to fifth steps are repeated multiple times. 前記第2工程では、一酸化窒素または亜酸化窒素を用いて、前記界面を酸窒化することを特徴とする請求項1~3のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that in the second step, the interface is oxidized and nitrided using nitric oxide or nitrous oxide. 前記第4工程では、窒素ガスまたはアルゴンガスを用いて、前記不活性ガスアニールを行うことを特徴とする請求項1~4のいずれか一つに記載の炭化珪素半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a silicon carbide semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that in the fourth step, the inert gas annealing is performed using nitrogen gas or argon gas. 炭化珪素からなる半導体層上にゲート絶縁膜を有する炭化珪素半導体装置において、A silicon carbide semiconductor device having a gate insulating film on a semiconductor layer made of silicon carbide,
電子エネルギー損失分光法で評価した前記半導体層と前記ゲート絶縁膜との界面に存在する余剰炭素量が対炭化珪素面積強度比で0.05以下であり、かつ、The amount of excess carbon present at the interface between the semiconductor layer and the gate insulating film, as evaluated by electron energy loss spectroscopy, is 0.05 or less in terms of an area intensity ratio to silicon carbide, and
X線光電子分光法で評価した前記ゲート絶縁膜のCNピークが対N1s面積強度比で0.09以下であることを特徴とする炭化珪素半導体装置。a CN peak of the gate insulating film evaluated by X-ray photoelectron spectroscopy to have an area intensity ratio to N1s of 0.09 or less;
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